Arten von Wasserstoff-Brennstoffzellen
Es gibt viele gängige Typen von Wasserstoff-Brennstoffzellen, die üblicherweise nach der Art des in der Zelle verwendeten Elektrolyten unterschieden werden: Alkaline Brennstoffzelle (AFC), Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), Schmelzkohlenstoff-Brennstoffzelle (MCFC), Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) und Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC).
Die Brennstoffzellen der unterschiedlichen Typen haben verschiedene Betriebstemperaturen.
Da Brennstoffzellen verschiedener Typen unterschiedliche Betriebstemperaturen aufweisen, können sie auch nach diesen Temperaturbereichen in verschiedene Kategorien eingeteilt werden.
AFC und PEMFC sind Niedertemperatur-Brennstoffzellen; PAFC ist eine Brennstoffzelle für mittlere Temperaturen (Betriebstemperatur zwischen 200 und 750°C); SOFC ist eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle (Betriebstemperatur über 750°C).
1. Alkaline Brennstoffzelle, AFC
Wenn der Elektrolyt der Wasserstoff-Brennstoffzelle alkalisch ist, ist die Durchlässigkeit des Brennstoffs geringer und die Stromdichte des Elektrolyten höher. Der Elektrolyt ist üblicherweise eine KOH-Lösung. Bei AFC wird im Allgemeinen das Metallelement Platin (Pt) als Katalysator verwendet. Bei Legierungskatalysatoren werden Stabilität und Reaktivität der Katalysatoren in unterschiedlichem Maße durch Unterschiede im Trägertyp, Dispersionsgrad, Beladungskapazität und andere Faktoren beeinflusst. Die Leistung des Katalysators kann durch Dotieren mit Modifikatoren verbessert werden. Generell verlaufen die Reaktionen an Anode und Kathode in alkalischen Brennstoffzellen wie folgt:
Anode : 2H2+4OH-=4H2O+4e- Kathode : O2+2H2O+4e-=4OH-
Im Allgemeinen zeigt die AFC bei einer Umgebungstemperatur von 80°C eine relativ gute Leistungsfähigkeit und zeichnet sich durch eine sehr schnelle Anlaufreaktion aus, allerdings beträgt ihre Energiedichte nur ein Zehntel der von PEMFC. Da der Elektrolyt der AFC alkalisch ist, muss im praktischen Betrieb als Oxidationsmittel reiner Sauerstoff verwendet werden. Wird stattdessen Luft genutzt, reduziert sich die tatsächliche Lebensdauer aufgrund des in der Luft enthaltenen CO erheblich, was die Kosten der kommerziellen Anwendung deutlich erhöht. Derzeit wird AFC vorwiegend im militärischen Bereich eingesetzt; in anderen Anwendungsfeldern ist sie relativ selten, sodass ihre kommerzielle Anwendung begrenzt ist.
2. Phosphorsäure-Brennstoffzelle, PAFC
Der Elektrolyt und der Katalysator der PAFC bestehen aus konzentrierter Phosphorsäure bzw. Platin und arbeiten üblicherweise bei etwa 200°C, was sie zu Brennstoffzellen für mittlere Temperaturen macht. PAFC kann nicht nur Wasserstoff als Brennstoff verwenden, sondern auch direkt kostengünstige Brennstoffe wie Erdgas, Methanol und Erdgas. Im Vergleich zu alkalischen Brennstoffzellen besteht der größte Vorteil darin, dass keine spezielle Ausrüstung zur CO-Behandlung erforderlich ist, sodass das Reaktionsgas direkt mit Luft genutzt werden kann. PAFC verwendet reformiertes Gas als Brennstoff, und ihre Anwendung in stationären Kraftwerken und verwandten Bereichen bietet große Vorteile und Potenzial.
Das Prinzip der PAFC-Reaktion lautet: Das Brenngas wird in den Reformer eingeleitet, und der Brennstoff unterliegt bei einer Reaktionstemperatur von 800°C der chemischen Reaktion [CxHy + XH2O → XCO + (X+Y/2)H2] und wird in ein Gemisch aus H, CO und Wasserdampf umgewandelt. Gleichzeitig werden HO und CO durch den Katalysator im Shift-Reaktor zu HO und CO umgesetzt. Schließlich wird der Brennstoff verarbeitet und gelangt an der negativen Elektrode in den Brennstoffzellenstapel, während das O in der Luft an der positiven Elektrode (Luftelektrode) eine chemische Reaktion eingeht und durch den Katalysator zur Erzeugung von Elektrizität und Wärme führt. Die Elektrodenreaktion ist in der unten stehenden Abbildung dargestellt. Der Reaktionsablauf ist:
Anode : 2H2+4OH-=4H2O+4e- Kathode : O2+2H2O+4e-=4OH- Chemische Reaktion : 1/2O2+H2→H2O
Die anfängliche Forschung und Entwicklung der PAFC zielte darauf ab, das Gleichgewicht im Stromnetz zu steuern. Ende des 20. Jahrhunderts konzentrierte man sich darauf, kombinierte Wärme- und Stromversorgung für Privathaushalte, Krankenhäuser, Einkaufszentren, Hotels usw. bereitzustellen. Zudem kann PAFC auch zur Stromversorgung von Fahrzeugen und als mobile Energiequelle eingesetzt werden.
3. Schmelzkohlenstoff-Brennstoffzelle, MCFC
Als Elektrolyt der MCFC werden üblicherweise Karbonatmischungen der Metalle Li, K, Na und Cs verwendet. Das Grundgerüst der MCFC bildet das Diaphragma-Material (poröser keramischer Elektrolyt), die LiAiO-poröse keramische Kathode (Nickeloxid), die poröse Metall-Anode (poröser Nickel), die Metallplatte und weitere Strukturen zusammen mit dem Elektrolyten. Aufgrund der höheren Betriebstemperatur (650–700°C) weist die MCFC eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit auf. Zudem wird ein flüssiger Elektrolyt verwendet, wodurch der Betrieb vereinfacht wird. Wichtig ist, dass die Brennstoffzelle eine relativ geringe Brennstoffreinheit erfordert und keine Edelmetallkatalysatoren benötigt, was die Kosten erheblich senkt. MCFC wird in der Regel zur regionalen Stromversorgung eingesetzt.
Das Material des Elektrolytseparators ist LiAiO2, das lithiumangereicherte Nickeloxid wird als positive Elektrode verwendet, und der poröse Nickel als negative Elektrode. Dieses Material unterliegt bei 650°C einem Phasenübergang, wodurch CO2-3 entsteht, das in Kombination mit H2 zu H2O, CO2 und Elektronen führt. Die chemische Reaktion lautet wie folgt:
Anode : CO2-3+H2=H2O+CO2+2e- Kathode : CO2+O2+4e-=2CO2-3 Chemische Reaktion : 2H2+O2=2H2O+elektrische Energie
Aus der chemischen Reaktion der MCFC geht hervor, dass das leitfähige Ion CO2-3 ist und dass CO2 an der Kathode als Reaktant und an der Anode als Produkt auftritt. Die stabile Dreiphasen-Grenzfläche der MCFC wird durch den Druckausgleich in den Kapillaren der porösen Elektrode hergestellt. Wenn die MCFC arbeitet, zirkuliert das CO2 kontinuierlich. Das an der Anode erzeugte CO2 wird zur Kathode zurückgeführt, wodurch ein normaler und kontinuierlicher Betrieb der Zelle sichergestellt wird. Das Funktionsprinzip der MCFC wird in der Abbildung dargestellt. MCFC kann als eigenständiges Stromerzeugungssystem genutzt werden, jedoch kann die Brennstoffzelle derzeit nicht die gesamte Energie des Brennstoffs umsetzen, und es treten Verluste auf. Daher ist der Wirkungsgrad der MCFC als eigenständiges Stromerzeugungssystem niedrig. Unter normalen Umständen kann MCFC mit Gasturbinen kombiniert werden, um Strom zu erzeugen, wodurch der Wirkungsgrad und die Brennstoffnutzung um etwa 60% gesteigert und die Kosten reduziert werden können.
4. Festoxid-Brennstoffzelle, SOFC
Unter den gängigen Brennstoffzellen weist die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) die höchste theoretische Energiedichte auf. Der Elektrolyt der SOFC ist ein fester Keramikstoff, und die einzelne Zelle besteht aus zwei porösen Elektroden sowie einer dazwischen liegenden dichten Elektrolytschicht. Die Betriebstemperatur der SOFC ist sehr hoch, wobei die maximale Temperatur 800–1000°C erreichen kann, sodass der Elektrolyt die Funktion besitzt, O2- zu transportieren und Oxidationsmittel von Brennstoff zu trennen. An der Kathode unterziehen sich Sauerstoffmoleküle einer Reduktionsreaktion, wobei O2- entsteht. Unter dem Einfluss des Potentialunterschieds und der geringen Sauerstoffkonzentration auf beiden Seiten des Diaphragmas wandert O2- in Richtung der Anodenseite, um dort mit dem Brennstoff zu oxidieren.
Wenn die SOFC arbeitet, wird der Sauerstoff an der Kathodenseite durch Elektronenaufnahme zu Sauerstoffionen reduziert. Die Sauerstoffionen werden aufgrund des Partialdrucks und des Druckunterschieds durch die Sauerstoffleerstellen in der Elektrolytschicht zur Anodenseite transportiert, wo sie mit dem Brennstoff oxidieren und dabei Elektronen abgeben. Das Funktionsprinzip ist in der Abbildung dargestellt.
Anode : H2+O2-=H2O+2e- Kathode : 1/2O2+2e-=O2- Chemische Reaktion : H2+1/2O2=H2O
Aufgrund der begrenzten Leistung einer einzelnen SOFC-Zelle kann diese nur eine Spannung von etwa 1V erzeugen. Daher ist es notwendig, einen Batteriestapel zu bilden, indem mehrere Einzelzellen in Serie, parallel oder hybrid verbunden werden, um die Leistung erheblich zu steigern und den Anforderungen praktischer Anwendungen gerecht zu werden. SOFC wird üblicherweise für kleine und mittelgroße stationäre kombinierte Wärme- und Stromerzeugung eingesetzt. Der kontinuierliche Fortschritt und die Innovationen bei thermoelektrischen Materialien haben auch die wirtschaftlichen Vorteile verbessert. Da die Betriebstemperatur der SOFC in der Regel 650–1000°C beträgt, kann eine zu schnelle Aufheizung zu Schäden an den Komponenten führen. Deshalb bestehen weiterhin wesentliche technische Probleme, wie etwa die langsame Startzeit (65–200 Minuten).
5. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, PEMFC
PEMFC verwendet eine Polymermembran als Elektrolyt, weshalb sie auch als Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle bezeichnet wird, und besteht aus einer Kathode, einer Anode und einem externen Stromkreis. Derzeit besitzt die Anwendung von PEMFC im Bereich der Elektrofahrzeuge und Materialhandhabung das größte Potenzial. Innerhalb der Brennstoffzelle wandern Protonen von der Anode durch die Austauschmembran zur Kathode, wodurch zusammen mit den Elektronen im externen Stromkreis ein geschlossener Kreislauf entsteht, der die externe Last mit Energie versorgt. Im Vergleich zu anderen Batterien arbeitet PEMFC bei einer niedrigeren Temperatur (in der Regel unter 100°C), und die Ausgangsleistung kann flexibel an die tatsächlichen Anforderungen angepasst werden. Zudem entstehen bei der Verbrennung nur Wasser und Wasserdampf, was eine schadstofffreie Emission ermöglicht; der Energieumwandlungswirkungsgrad liegt bei 60–70%; zudem entstehen während des Betriebs weder Vibrationen noch Lärm. Darüber hinaus bietet PEMFC Vorteile wie eine schnelle Anlaufgeschwindigkeit, hohe spezifische Leistung, eine einfache Bauweise und bequeme Handhabung.
Wenn PEMFC arbeitet, fördert der Anodenkatalysator die Ionisierung des Brennstoffs (H2) in Wasserstoffionen (H+), woraufhin diese Protonen die Austauschmembran zur Kathode durchqueren und dabei Elektronen (e–) freisetzen, die im externen Stromkreis Arbeit verrichten. Der Katalysator reduziert das Oxidationsmittel, und H+ sowie e– führen zur Bildung von Wasser. Das Funktionsprinzip der PEMFC wird in der Abbildung dargestellt.
Anode : 4H++4e-=2H2 Kathode : O2+4H++4e-=2H2O Chemische Reaktion : 2H2+O2=2H2O+Wärme
PEMFC wird bereits in Bussen, Kleintransportern und Gabelstaplern eingesetzt. In den letzten Jahren haben Brennstoffzellenfahrzeuge bedeutende Durchbrüche erzielt und in ihrer Leistung Fortschritte gemacht, sodass Reichweite und Höchstgeschwindigkeit mit denen herkömmlicher Verbrennerfahrzeuge vergleichbar sind.
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