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Brennstoffzellen im Leistungsteil

Die Polymer Electrolyte Membrane (PEM) Brennstoffzellen

Die Polymer Electrolyte Membrane (PEM) -Brennstoffzellen sind halbintegrierte, effiziente und zuverlässige Systeme, die den Einsatz von Peripheriegeräten minimieren.

1839 wurden ein britischer Jurist und ein Laienphysiker benannt William Grove entdeckte zuerst das Prinzip der Brennstoffzelle. In Grove wurden vier große Zellen verwendet, die jeweils Wasserstoff und Sauerstoff enthielten, um Strom und Wasser zu erzeugen, aus denen Wasser in einem anderen Behälter gespalten wurde, um Wasserstoff und Sauerstoff herzustellen.

Es dauerte jedoch weitere 120 Jahre, bis die NASA ihre Nutzung als Strom- und Wasserversorgung für einige frühe Weltraumflüge demonstrierte. Heute, den Brennstoffzelle ist die Hauptstromquelle im WeltraumShuttle Aufgrund dieser Erfolge begann die Industrie, den kommerziellen Wert von Brennstoffzellen langsam zu schätzen. Neben stationären Anwendungen zur Stromerzeugung wird nun die Entwicklung von Brennstoffzellen für die Verwendung im Automobil stark vorangetrieben.

Obwohl Brennstoffzellen eine hohe Leistung bietenCharakteristik, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Umweltvorteile, sehr hohe Investitionskosten sind nach wie vor das Haupthindernis für große Einsätze.

Grundprinzipien

Die Brennstoffzelle arbeitet, indem sie a wasserstoffreich Kraftstoff - in der Regel Erdgas oder Methanol - inWasserstoff, der in Kombination mit Sauerstoff Strom und Wasser produziert. Dies ist der umgekehrte Elektrolyseprozess. Anstatt den Brennstoff zu verbrennen, wandelt die Brennstoffzelle den Brennstoff mithilfe eines hocheffizienten elektrochemischen Prozesses in Elektrizität um. Eine Brennstoffzelle hat wenige bewegliche Teile und erzeugt sehr wenig Abwärme oder Gas.

Ein Brennstoffzellen-Kraftwerk besteht im Wesentlichen ausdrei Teilsysteme oder Abschnitte. In dem Brennstoffverarbeitungsabschnitt wird das Erdgas oder ein anderer Kohlenwasserstoffbrennstoff in einen wasserstoffreichen Brennstoff umgewandelt. Dies wird normalerweise durch einen sogenannten Steam-Catalyst-Reforming-Prozess erreicht. Der Brennstoff wird dann dem Leistungsteil zugeführt, wo er mit Sauerstoff aus der Luft in einer großen Anzahl einzelner Brennstoffzellen reagiert Gleichstrom (DC) Strom und Nebenproduktwärme in Form von nutzbarem Dampf oder Warmwasser.

Bei einem Kraftwerk kann die Anzahl der Brennstoffzellenvariieren von einigen hundert (für eine 40-kW-Anlage) bis zu mehreren tausend (für eine Multi-Megawatt-Anlage). In der letzten oder dritten Stufe wird der Gleichstrom in dem Stromkonditionierungs-Subsystem in Wechselstrom (AC) für Stromversorgungsunternehmen umgewandelt.

Brennstoffzelle - wie es funktioniert

Brennstoffzelle - wie es funktioniert


Im Leistungsteil der Brennstoffzelle, die die Elektroden und den Elektrolyten enthält, finden zwei getrennte elektrochemische Reaktionen statt: eine Oxidation Halbreaktion an der Anode und aReduktionshalbreaktion an der Kathode. Die Anode und die Kathode sind durch den Elektrolyten voneinander getrennt. In der Oxidationshalbreaktion an der Anode erzeugt gasförmiger Wasserstoff Wasserstoffionen, die durch die ionenleitende Membran zur Kathode gelangen. Gleichzeitig gelangen Elektronen durch einen externen Stromkreis zur Kathode.

Bei der Reduktionshalbreaktion an der Kathode verbindet sich der aus der Luft gelieferte Sauerstoff mit den Wasserstoffionen und Elektronen, um Wasser und überschüssige Wärme zu bilden.

Somit sind die Endprodukte der Gesamtreaktion Elektrizität, Wasser und überschüssige Wärme.

Arten von Brennstoffzellen

Der Elektrolyt definiert die Schlüsseleigenschaften der Brennstoffzelle, insbesondere die Betriebstemperatur. Folglich werden Brennstoffzellen basierend auf den verwendeten Elektrolyttypen wie nachstehend beschrieben klassifiziert.

  1. Polymerelektrolytmembran (PEM)
  2. Alkalische Brennstoffzelle (AFC)
  3. Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC)
  4. Geschmolzene Karbonat-Brennstoffzelle (MCFC)
  5. Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)

Diese Brennstoffzellen arbeiten bei unterschiedlichen Temperaturen und sind für bestimmte Anwendungen am besten geeignet. Die Hauptmerkmale der fünf Arten von Brennstoffzellen sind in zusammengefasst Tabelle 1 unten.


Tabelle 1 - Vergleich von fünf Brennstoffzellentechnologien

Art Elektrolyt Temperatur C Anwendungen Vorteile
Polymerelektrolytmembran (PEM) Festes organisches Polymer Polyperfluorsulfonsäure 60–100 Elektrizitätswerk, Transport, tragbare Energie Festelektrolyt reduziert Korrosion, niedrige Temperaturen und schnelle Inbetriebnahme
Alkaline (AFC) Wässrige Lösung von Kaliumhydroxid in einer Matrix getränkt 90–100 Militär, Weltraum Kathodenreaktion in alkalischem Elektrolyt schneller; daher hohe leistung
Phosphorsäure (PAFC) In eine Matrix getränkte flüssige Phosphorsäure 175–200 Stromversorger, Transport und Wärme Bis zu 85% Wirkungsgrad bei der Kraft-Wärme-Kopplung
Geschmolzenes Karbonat (MCFC) Flüssige Lösung von in einer Matrix getränkten Lithium-, Natrium- und / oder Kaliumcarbonaten 600–1000 Stromversorger Höhere Effizienz, Kraftstoffflexibilität, kostengünstige Katalysatoren
Festoxid (SOFC) Festes Zirkoniumoxid, dem eine kleine Menge Yttriumoxid zugesetzt wird 600–1000 Stromversorger Höhere Effizienz, Kraftstoffflexibilität, kostengünstige Katalysatoren. Vorteile des Festelektrolyts wie PEM
QUELLE: Saifur Rahman
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