Wie funktioniert die Brennstoffzelle (Teil 1)

Einführung

Es ist möglich, dass viele Nachrichten haben über Brennstoffzellen, ihre Aufmerksamkeit in letzter Zeit kommen. Nach verschiedenen Nachrichten, ist es wahrscheinlich, dass in naher Zukunft werden wir für die neue Technologie, um elektrische Energie verbrauchen wir in unsere Autos und Häuser zu generieren. Die Technologie ist sehr interessant für uns alle und in allen Phasen des Lebens, weil sie die Möglichkeiten für die Energie effizienter und weniger Verschmutzung zu erhalten. Aber wie geschieht das?

In diesem Artikel überprüfen wir alle etwas Brennstoffzellen-Technologien, die vorhandenen und neu entstehenden. Wir werden ausführlich, wie es funktioniert und ihrer möglichen Anwendungen zu diskutieren.

Aus technischer Sicht ist eine Brennstoffzelle, ein Gerät für elektrochemische Energiewandler. Die Brennstoffzelle wandelt die chemische Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser und Strom erzeugt, während es zu tun. Die Brennstoffzelle sollte aufgerufen werden, eine Brennstoffzelle, aber der Begriff Zelle schliesslich durchgesetzt.

Ein weiteres Gerät, das elektrochemische wir gut kennen, ist die Batterie. Eine Batterie hat alle chemischen Elemente in sich, und wandelt sie in Strom um. Dies bedeutet, dass die Batterie stirbt schließlich, die uns zwingt, ihn wegzuwerfen, oder es wieder aufzuladen.

Im Fall der Brennstoffzelle, Chemikalien fließen ständig in die Zelle. Sie stirbt nie. Da Chemikalien fließen, wird die Strom-Flow aus der Brennstoffzelle. Derzeit verwenden die meisten Brennstoffzellen Wasserstoff und Sauerstoff.

Die Brennstoffzelle wird konkurrieren mit vielen anderen Arten von Verarbeiter von Energie, einschließlich der Gasturbinen im Kraftwerk zur Stromerzeugung aus Ihrer Stadt, die Benzin-Motor Ihres Autos und die Batterie Ihres Laptops. Verbrennungsmotoren wie die Turbine und der Benzinmotor brennen Brennstoffe und die Nutzung der Druck durch die Expansion der Gase geschaffen, um mechanische Arbeit zu tun. Batterien wandeln chemische Energie wieder in elektrische Energie, wenn dies erforderlich ist. Brennstoffzellen machen diese Aufgaben effizienter zu gestalten.

Die Brennstoffzelle liefert eine Spannung DC (Gleichstrom) an die Macht Motoren, Lampen und anderen elektrischen Geräten verwendet werden kann.

Es gibt viele Arten von Brennstoffzellen, die jeweils mit einem chemischen Prozess für den Betrieb verantwortlich. Sie sind im Allgemeinen durch die Art des Elektrolyten verwenden sie klassifiziert. Einige Arten von Brennstoffzellen in der stationären Arbeit und Stromerzeugung. Andere sind für kleine tragbare Anwendungen nützlich oder für den Antrieb von Autos.

Die Brennstoffzelle für Proton-Exchange-Membran (PEMFC) ist eine der vielversprechendsten Technologien. Dies ist die Art der Brennstoffzelle, die am Ende Einschalten Autos, Busse und vielleicht sogar unsere Häuser. Die PEMFC verwendet eine der einfachsten Reaktionen der Brennstoffzelle. Lassen Sie uns zuerst einen Blick auf, was eine Brennstoffzelle Proton-Exchange-Membran (PEM):

Abbildung 1 zu sehen ist, dass es 4 Grundelemente einer PEM-Brennstoffzelle:

• Die Anode, Minuspol der Brennstoffzelle, die mehrere Rollen spielt. Sie führt die Elektronen vom Wasserstoff-Moleküle freigesetzt wird in der externen Schaltung verwendet werden. Es hat Kanäle, die die Verteilung der Wasserstoff-Gas gleichmäßig über die Oberfläche des Katalysators.
• Inzwischen die Kathode, die positive Pol der Brennstoffzelle, Kanäle, die den Sauerstoff an der Oberfläche des Katalysators zu verteilen. Sie führt auch die Elektronen wieder von der externen Schaltung, um den Katalysator, wo sie mit Wasserstoff-Ionen rekombinieren können und Sauerstoff zu Wasser.
• Der Elektrolyt ist die Proton-Exchange-Membran. Diese speziell behandelten Materials ähnlich Plastikfolie gemeinsame Küche und führt nur positiv geladene Ionen. Die Membran-Blöcke Elektronen.
• Der Katalysator ist ein spezielles Material, das die Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff erleichtert. Es ist in der Regel aus Platin Pulver sehr dünn auf Kohlepapier oder porösen Material beschichtet. Der Katalysator wird rau und porös, so dass die Oberfläche von Platin in Wasserstoff und Sauerstoff ausgesetzt wird. Die Platin-beschichteten Seite des Katalysators steht die PEM.

In Abbildung 2 wird der Druck Wasserstoffgas (H2) in die Brennstoffzelle auf der Anodenseite. Dieses Gas wird durch den Katalysator gezwungen. Die H2-Molekül, wenn sie in Kontakt mit dem Platin-Katalysator ist unterteilt in 2 H +-Ionen und 2 Elektronen. Die Elektronen werden durch die Anode geleitet, ihren Weg durch den externen Stromkreis (wertvolle Arbeit, wie wenn man einen Motor) und Rückkehr zu der Kathodenseite der Brennstoffzelle.

Inzwischen ist auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle, Sauerstoff (O2) durch den Katalysator, wo es den Formblättern 2 Sauerstoffatome gezwungen. Jedes dieser Atome hat eine starke negative Ladung. Diese negative Ladung anzieht 2 H +-Ionen durch die Membran, die mit einem Sauerstoffatom und 2 von Elektronen aus äußeren Stromkreis verbinden sich zu einem Wassermolekül Form (H2O).

Diese Reaktion, welche bei einer Brennstoffzelle erzeugt nur etwa 0,7 Volt. Um die Spannung auf ein vernünftiges Niveau zu heben, müssen viele einzelne Brennstoffzellen kombiniert werden, um eine Batterie von Brennstoffzellen bilden.

PEMFC arbeiten mit einem relativ niedrigen Temperatur (ca. 176 Grad Celsius oder 80 Grad Celsius), was bedeutet, dass sie schnell warm und benötigen keine teure Containment-Strukturen. Ständige Verbesserungen in Technik und Material in diesen Zellen verwendet werden, haben Energiedichte, so dass Geräte in der Größe von kleinen Koffern erhöht wurden, Autos zu bewegen.

Probleme von Brennstoffzellen:

Im letzten Abschnitt sahen wir, dass eine Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff verwendet, um Elektrizität zu produzieren. Der Sauerstoff für eine Brennstoffzelle notwendige kommt aus der Luft, dann in einer PEM-Brennstoffzelle ist die gemeinsame atmosphärische Luft in den Kathodenraum gepumpt. Allerdings, Wasserstoff ist nicht so leicht verfügbar. Es gibt einige Einschränkungen, die es nicht praktikabel für die meisten Anwendungen zu machen. Zum Beispiel gibt es eine Wasserstoff-Pipeline kommen, um Ihr Haus, noch ist es möglich, Wasserstoffbomben an der Tankstelle zu verwenden.

Wasserstoff ist schwierig, gespeichert und verteilt werden. Es wäre viel einfacher, wenn Brennstoffzellen-Kraftstoffe zur Verfügung könnte mehr helfen. Dieses Problem wird durch eine Vorrichtung gelöst, als ein Reformer, die Kohlenwasserstoff-Brennstoffe in Wasserstoff oder Alkohol, die dann verwendet werden, um die Brennstoffzelle Strom kann umwandelt. Leider sind nicht perfekt Reformer zur Erzeugung von Wärme und produzieren neben anderen Gasen Wasserstoff. Sie verwenden verschiedene Geräte, um den Wasserstoff zu reinigen, kann aber dennoch nicht mit reinem Wasserstoff zu produzieren, so dass die Effizienz der Brennstoffzelle.

Erdgas, Propan und Methanol als Brennstoff betrachtet wahrscheinlich Anwendung. Es gibt bereits viele Häuser und Gebäude mit Erdgas oder Propangas-Tanks gewartet, so dass diese Kraftstoffe die wahrscheinlichste Verwendung für Brennstoffzellen zu Hause sind. Methanol ist ein flüssiger Kraftstoff mit ähnlichen Eigenschaften wie Benzin (leicht zu transportieren und zu verteilen) und somit ein aussichtsreicher Kandidat für die Stromversorgung des Autos von Brennstoffzellen.

Ziele der Brennstoffzellen:

Verringerung der Umweltverschmutzung ist eines der vorrangigen Ziele der Brennstoffzelle. Im Vergleich zu einem Brennstoffzellen-Auto mit einem Benzin-und eine Batterie ist leicht zu sehen, wie Brennstoffzellen, die Effizienz der Autos verbessern können.

Da die 3 Arten von Autos haben die gleichen Komponenten (Reifen, Getriebe, etc..) Lasst uns diese Aspekte beiseite und vergleichen Sie die Wirkungsgrade bis zu dem Punkt, wo mechanische Energie erzeugt wird. Wir beginnen das Auto Brennstoffzelle.

Da die Brennstoffzelle mit reinem Wasserstoff betrieben wird, möglicherweise, könnte sie haben einen Wirkungsgrad von 80%. Das heißt, es wandelt 80% der Energie in Wasserstoff in elektrische Energie enthalten. Allerdings, wie wir sahen im vorigen Abschnitt, ist schwer zu Wasserstoff im Auto zu speichern. Wenn wir einen Reformator zu Methanol in Wasserstoff umgewandelt, die gesamte Leistungsfähigkeit sinkt auf einem Bereich zwischen 30 und 40%.

Wir müssen noch die elektrische Energie in mechanische Arbeit umwandeln. Dies wird durch den elektrischen Motor und Umrichter getan. Angemessene Wirkungsgrad für den Motor / Umrichter ist etwa 80%. So haben wir 30 bis 40% Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Methanol in Strom und 80% Effizienz bei der Umwandlung von Strom in mechanische Energie um. Daraus ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad von 24% bis 32%.

Gehen Sie zum zweiten Teil.

Quelle: Karim Nizza, übersetzt von HowStuffWorks Brasilien.