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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Brennelemente. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle wurde 1838 vom englischen Wissenschaftler W. Grove entdeckt. Er untersuchte die Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff und stellte fest, dass ein Elektrolyseur elektrischen Strom erzeugte. Es stellte sich heraus, dass es Verfahren gibt, Kraftstoff in Strom umzuwandeln, ohne den Kraftstoff zu verbrennen. Aber die Menschheit erhält Strom hauptsächlich durch die Verbrennung von Öl, Kohle oder Gas in Wärmekraftwerken oder Kernbrennstoff in Kernkraftwerken. Verbrennungsprozesse gehen mit großen Verlusten einher, daher zogen alle Möglichkeiten der Stromerzeugung ohne Verbrennung von Brennstoffen Wissenschaftler und Ingenieure an. Was ist eine Brennstoffzelle? Im Zuge der Forschung stellte sich heraus, dass Brennstoff für Brennstoffzellen vorbereitet werden muss. In der Natur gibt es keinen reinen Wasserstoff. Es muss aus fossilen Brennstoffen wie Methan oder Erdgas gewonnen werden. Eine Brennstoffzelle ist eine chemische Stromquelle und besteht daher aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyten (siehe Abbildung).
Das Reduktionsmittel (Wasserstoff) wird an der Anode oxidiert, wodurch Elektronen an den externen Kreislauf abgegeben werden und positiv geladene H+-Ionen in den Elektrolyten gelangen. Vom anderen Ende der Kette nähern sich die Elektronen der Kathode, der Luft (Sauerstoff) zugeführt wird, und es findet eine Reduktionsreaktion statt (Anfügung von Elektronen durch ein Oxidationsmittel – Sauerstoff). Positiv geladene Wasserstoffionen (Protonen) werden vom Elektrolyten zur Kathode transportiert, wo sie sich mit negativen Sauerstoffionen zu Wasser H2O verbinden. Elektroden und Elektrolyt nehmen an der Reaktion nicht teil. Daher ist es notwendig, der Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff zuzuführen, Wasser zu entfernen und elektrischen Strom abzuführen. Probleme bei der Wasserstoffproduktion führten zu Versuchen, andere Reduktionsmittel einzusetzen, insbesondere Kohlenmonoxid CO, das relativ einfach aus Kohle gewonnen werden kann. In den 30er Jahren des 2. Jahrhunderts. Der deutsche Forscher E. Bauer schuf eine Laboreinheit mit einem Festelektrolyten zur direkten anodischen Oxidation von Kohle. Derzeit kann neben Kohle nahezu jeder organische Brennstoff verwendet werden. Anstelle von Wasser entsteht in solchen Brennstoffzellen Kohlendioxid COXNUMX. Warum sind Brennstoffzellen als Stromquelle attraktiv? Erstens sind sie umweltfreundlicher als Wärmekraftwerke. Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen produzieren Wasser, während kohlenstoffbasierte Brennstoffzellen Kohlendioxid produzieren, und zwar viel weniger pro Stromeinheit als Wärmekraftwerke. Zweitens haben sie einen hohen Wirkungsgrad von etwa 40-60 % (große Wärmekraftwerke haben etwa 30 %). Derzeit wurden Technologien mit Wirkungsgraden von bis zu 90 % entwickelt. Dadurch ist es möglich, den Verbrauch von Biokraftstoff um mindestens das Zweifache zu reduzieren. Drittens ist die Zuverlässigkeit des Kraftstoffs ungewöhnlich hoch. Die Wahrscheinlichkeit eines störungsfreien Betriebs wird auf „sieben Neunen“ oder 2 % geschätzt. Brennstoffzellen-Typen Diese Typen werden durch die Art des in Brennstoffzellen verwendeten Elektrolyten bestimmt. 1. Phosphorsäure. Dieser Brennstoffzellentyp wird derzeit in Massenproduktion hergestellt. Sie haben bereits mehr als 200 installiert – in Krankenhäusern, Hotels, Schulen, Büros. Ihr Wirkungsgrad beträgt 40 %, zusätzlich wird aber auch das Ausgangsprodukt heißer Dampf genutzt. Die Betriebstemperatur in solchen Brennstoffzellen liegt bei etwa 200°C. 2. Protonenaustauschmembranen. Diese Elemente arbeiten bei einer niedrigeren Temperatur (ca. 100 °C). Protonenaustauschmembranen – eine dünne Kunststoffschicht, die Protonen durchlässt. Der Kunststoff ist auf beiden Seiten mit einer Schicht aus Metallpartikeln (meistens Platin) beschichtet, die als aktiver Katalysator wirken. Dieser Brennstoffzellentyp gilt als der vielversprechendste für Autos und als Ersatz für Batterien und Akkus. 3. Geschmolzenes Karbonat. Zellen mit diesem Elektrolyten arbeiten bei einer Temperatur von etwa 700 °C und können mit Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Erdgas, Propan, Dieselkraftstoff und anderen Substanzen arbeiten. Es wurden Industrieanlagen mit einer Leistung von 10 kW bis 2 MW entwickelt. Solche Brennstoffzellen sind als stationäre Kraftwerke vielversprechend. 4. Feste Oxide. Anstelle eines flüssigen Elektrolyten wird ein festes Keramikmaterial verwendet. Die Betriebstemperatur in einer solchen Brennstoffzelle beträgt bis zu 1000°C. Der Wirkungsgrad erreicht 60 %. Vorgeführt wird eine Brennstoffzelle mit einer Leistung von 220 kW. Solche Brennstoffzellen sind als leistungsstarke Kraftwerke vielversprechend. 5. Alkalischer Elektrolyt. Brennstoffzellen mit einem solchen Elektrolyten (KOH) werden seit langem in US-Raumfahrzeugen eingesetzt. Ihr Wirkungsgrad erreicht 70 %. Für kommerzielle Anwendungen sind sie jedoch immer noch zu teuer. 6. Methanol. Ein solches Element ähnelt in seiner Struktur dem Element mit einer Protonenaustauschmembran, ist jedoch für die Extraktion von Wasserstoff aus flüssigem Methanol ausgelegt. Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 40 %. Betriebstemperatur 50–90 °C. 7. Regenerative Brennstoffzellen. Dieser Brennstoffzellentyp wird derzeit erforscht. Es verwendet einen geschlossenen Kreislauf. Wasser wird durch einen Solarzellen-Elektrolyseur in Wasserstoff und Sauerstoff getrennt. Wasserstoff und Sauerstoff werden in eine Brennstoffzelle eingespeist, die Strom, Wärme und Wasser produziert. Das Wasser wird zum Elektrolyseur zurückgeführt und der Vorgang wiederholt sich. Diese Art von Brennstoffzellen ist vielversprechend für Raumfahrzeuge und Stationen.
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