Wie Brennstoffzellen funktionieren

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Bildergalerie für Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoffen Die Ingenieure ersetzten den Motor des GM HydroGen3 durch einen Brennstoffzellenstapel in Mikrowellengröße. Weitere Bilder von Fahrzeugen mit alternativen Kraftstoffen.

Sie haben wahrscheinlich davon gehört Brennstoffzellen. Im Jahr 2003 kündigte Präsident Bush ein Programm namens Wasserstoff-Kraftstoff-Initiative (HFI) während seiner State of the Union Adresse. Diese Initiative, die durch die Gesetzgebung des Energy Policy Act von 2005 (EPACT 2005) und der Advanced Energy Initiative von 2006 unterstützt wird, zielt darauf ab, Wasserstoff-, Brennstoffzellen- und Infrastrukturtechnologien zu entwickeln, um Brennstoffzellenfahrzeuge bis 2020 praktisch und kostengünstig zu machen Die Vereinigten Staaten haben bisher mehr als eine Milliarde Dollar für die Forschung und Entwicklung von Brennstoffzellen aufgewendet.

Was genau ist eine Brennstoffzelle überhaupt? Warum arbeiten Regierungen, Privatunternehmen und akademische Institutionen zusammen, um sie zu entwickeln und zu produzieren? Brennstoffzellen erzeugen leise und effizient elektrischen Strom ohne Umweltverschmutzung. Im Gegensatz zu Stromquellen, die fossile Brennstoffe verwenden, sind die Nebenprodukte einer betriebenen Brennstoffzelle Wärme und Wasser. Aber wie macht es das??

In diesem Artikel werfen wir einen kurzen Blick auf die vorhandenen oder aufkommenden Brennstoffzellentechnologien. Wir werden detailliert beschreiben, wie Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) arbeiten und untersuchen, wie Brennstoffzellen mit anderen Formen der Stromerzeugung verglichen werden. Wir werden auch einige der Hindernisse untersuchen, mit denen Forscher konfrontiert sind, um Brennstoffzellen für unseren Einsatz praktisch und erschwinglich zu machen, und wir werden die möglichen Anwendungen von Brennstoffzellen diskutieren.

Wenn Sie technisch sein wollen, ist eine Brennstoffzelle eine elektrochemische Energieumwandlungsvorrichtung. Eine Brennstoffzelle wandelt die Chemikalien Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser um und erzeugt dabei Strom.

Das andere elektrochemische Gerät, mit dem wir alle vertraut sind, ist die Batterie. In einer Batterie sind alle Chemikalien gespeichert, und diese Chemikalien werden auch in Elektrizität umgewandelt. Dies bedeutet, dass eine Batterie irgendwann "leer" wird und Sie sie entweder wegwerfen oder aufladen.

Bei einer Brennstoffzelle fließen ständig Chemikalien in die Zelle, sodass sie niemals tot werden. Solange Chemikalien in die Zelle fließen, fließt der Strom aus der Zelle. Die meisten heute verwendeten Brennstoffzellen verwenden Wasserstoff und Sauerstoff als Chemikalien.

Im nächsten Abschnitt werden wir uns die verschiedenen Arten von Brennstoffzellen ansehen.

Inhalt
  1. Arten von Brennstoffzellen
  2. Polymeraustauschmembran-Brennstoffzellen
  3. Brennstoffzelleneffizienz
  4. Energieeffizienz von Benzin und Batterie
  5. Brennstoffzellenprobleme
  6. Warum Brennstoffzellen verwenden?

Die Brennstoffzelle konkurriert mit vielen anderen Energieumwandlungsgeräten, einschließlich der Gasturbine im Kraftwerk Ihrer Stadt, des Benzinmotors in Ihrem Auto und der Batterie in Ihrem Laptop. Verbrennungsmotoren wie die Turbine und der Benzinmotor verbrennen Kraftstoffe und nutzen den durch die Expansion der Gase erzeugten Druck für mechanische Arbeiten. Batterien wandeln chemische Energie bei Bedarf wieder in elektrische Energie um. Brennstoffzellen sollten beide Aufgaben effizienter erledigen.

Eine Brennstoffzelle liefert eine Gleichspannung, mit der Motoren, Lichter oder eine beliebige Anzahl von Elektrogeräten angetrieben werden können.

Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die jeweils eine andere Chemie verwenden. Brennstoffzellen werden normalerweise nach ihrer Betriebstemperatur und der Art der Brennstoffzellen klassifiziert Elektrolyt Sie benutzen. Einige Arten von Brennstoffzellen eignen sich gut für den Einsatz in stationären Kraftwerken. Andere können für kleine tragbare Anwendungen oder zum Antreiben von Autos nützlich sein. Die Haupttypen von Brennstoffzellen umfassen:

Polymeraustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC)

Das Energieministerium (DOE) konzentriert sich auf die PEMFC als wahrscheinlichsten Kandidaten für Transportanwendungen. Der PEMFC hat eine hohe Leistungsdichte und eine relativ niedrige Betriebstemperatur (im Bereich von 60 bis 80 Grad Celsius oder 140 bis 176 Grad Fahrenheit). Aufgrund der niedrigen Betriebstemperatur dauert es nicht lange, bis sich die Brennstoffzelle erwärmt und Strom erzeugt. Wir werden uns die PEMFC im nächsten Abschnitt genauer ansehen.

Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)

Diese Brennstoffzellen eignen sich am besten für stationäre Großstromgeneratoren, die Fabriken oder Städte mit Strom versorgen können. Dieser Brennstoffzellentyp arbeitet bei sehr hohen Temperaturen (zwischen 700 und 1.000 Grad Celsius). Diese hohe Temperatur macht die Zuverlässigkeit zu einem Problem, da Teile der Brennstoffzelle nach wiederholtem Ein- und Ausschalten ausfallen können. Festoxidbrennstoffzellen sind jedoch im Dauereinsatz sehr stabil. Tatsächlich hat die SOFC unter bestimmten Betriebsbedingungen die längste Lebensdauer einer Brennstoffzelle nachgewiesen. Die hohe Temperatur hat auch einen Vorteil: Der von der Brennstoffzelle erzeugte Dampf kann in Turbinen geleitet werden, um mehr Strom zu erzeugen. Dieser Vorgang wird aufgerufen Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und es verbessert die Gesamteffizienz des Systems.

Alkalische Brennstoffzelle (AFC)

Dies ist eines der ältesten Designs für Brennstoffzellen. Das Raumfahrtprogramm der Vereinigten Staaten nutzt sie seit den 1960er Jahren. Die AFC ist sehr anfällig für Verunreinigungen und benötigt daher reinen Wasserstoff und Sauerstoff. Es ist auch sehr teuer, so dass es unwahrscheinlich ist, dass dieser Brennstoffzellentyp kommerzialisiert wird.

Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC)

Wie die SOFC eignen sich diese Brennstoffzellen auch am besten für große stationäre Stromerzeuger. Sie arbeiten bei 600 Grad Celsius, sodass sie Dampf erzeugen können, mit dem mehr Strom erzeugt werden kann. Sie haben eine niedrigere Betriebstemperatur als Festoxidbrennstoffzellen, was bedeutet, dass sie keine solchen exotischen Materialien benötigen. Dies macht das Design etwas günstiger.

Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC)

Die Phosphorsäure-Brennstoffzelle kann in kleinen stationären Stromerzeugungssystemen eingesetzt werden. Es arbeitet bei einer höheren Temperatur als Polymeraustauschmembran-Brennstoffzellen, hat also eine längere Aufwärmzeit. Dies macht es für den Einsatz in Autos ungeeignet.

Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC)

Methanol-Brennstoffzellen sind hinsichtlich der Betriebstemperatur mit einer PEMFC vergleichbar, jedoch nicht so effizient. Außerdem benötigt die DMFC eine relativ große Menge Platin, um als Katalysator zu wirken, was diese Brennstoffzellen teuer macht.

Im folgenden Abschnitt werden wir uns die Art der Brennstoffzelle genauer ansehen, mit der das DOE künftige Fahrzeuge antreiben will - die PEMFC.

Die Erfindung der Brennstoffzelle

Sir William Grove erfand 1839 die erste Brennstoffzelle. Grove wusste, dass Wasser durch Senden von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden kann (ein Prozess, der als Prozess bezeichnet wird) Elektrolyse). Er stellte die Hypothese auf, dass durch Umkehrung des Verfahrens Strom und Wasser erzeugt werden könnten. Er schuf eine primitive Brennstoffzelle und nannte sie a Gasvoltabatterie. Nachdem er mit seiner neuen Erfindung experimentiert hatte, bewies Grove seine Hypothese. Fünfzig Jahre später prägten die Wissenschaftler Ludwig Mond und Charles Langer den Begriff Brennstoffzelle beim Versuch, ein praktisches Modell zur Stromerzeugung zu bauen.

Abbildung 1. Die Teile einer PEM-Brennstoffzelle-

Das Brennstoffzelle der Polymeraustauschmembran (PEMFC) ist eine der vielversprechendsten Brennstoffzellentechnologien. Diese Art von Brennstoffzelle wird wahrscheinlich Autos, Busse und vielleicht sogar Ihr Haus antreiben. Die PEMFC verwendet eine der einfachsten Reaktionen einer Brennstoffzelle. Schauen wir uns zunächst an, was sich in einer PEM-Brennstoffzelle befindet:

Im Abbildung 1 Sie können sehen, dass es vier Grundelemente einer PEMFC gibt:

  • Das Anode, Der negative Pfosten der Brennstoffzelle hat mehrere Jobs. Es leitet die Elektronen, die von den Wasserstoffmolekülen befreit werden, so dass sie in einem externen Stromkreis verwendet werden können. Darin sind Kanäle geätzt, die das Wasserstoffgas gleichmäßig über die Oberfläche des Katalysators verteilen.
  • Das Kathode, In den positiven Pfosten der Brennstoffzelle sind Kanäle eingeätzt, die den Sauerstoff auf der Oberfläche des Katalysators verteilen. Es leitet die Elektronen auch vom externen Kreislauf zum Katalysator zurück, wo sie sich mit den Wasserstoffionen und dem Sauerstoff zu Wasser rekombinieren können.
  • Das Elektrolyt ist der Protonenaustauschmembran. Dieses speziell behandelte Material, das wie eine gewöhnliche Plastikfolie in der Küche aussieht, leitet nur positiv geladene Ionen. Die Membran blockiert Elektronen. Für eine PEMFC muss die Membran hydratisiert sein, um zu funktionieren und stabil zu bleiben.
  • Das Katalysator ist ein spezielles Material, das die Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff erleichtert. Es besteht normalerweise aus Platin-Nanopartikeln, die sehr dünn auf Kohlepapier oder -tuch aufgetragen sind. Der Katalysator ist rau und porös, so dass die maximale Oberfläche des Platins dem Wasserstoff oder Sauerstoff ausgesetzt werden kann. Die platinbeschichtete Seite des Katalysators ist der PEM zugewandt.

Dieser Inhalt ist auf diesem Gerät nicht kompatibel.

Abbildung 2. Animation einer funktionierenden Brennstoffzelle

-Figur 2 zeigt das unter Druck stehende Wasserstoffgas (H.2) Eintritt in die Brennstoffzelle auf der Anodenseite. Dieses Gas wird durch den Druck durch den Katalysator gedrückt. Wenn ein H.2 Molekül kommt mit dem Platin am Katalysator in Kontakt, es spaltet sich in zwei H.+ Ionen und zwei Elektronen (e-). Die Elektronen werden durch die Anode geleitet, wo sie ihren Weg durch den externen Stromkreis finden (nützliche Arbeit wie das Drehen eines Motors) und zur Kathodenseite der Brennstoffzelle zurückkehren.

Währenddessen wird auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle Sauerstoffgas (O.2) wird durch den Katalysator gedrückt, wo er zwei Sauerstoffatome bildet. Jedes dieser Atome hat eine starke negative Ladung. Diese negative Ladung zieht die beiden H an+ Ionen durch die Membran, wo sie sich mit einem Sauerstoffatom und zwei der Elektronen aus dem externen Kreislauf zu einem Wassermolekül verbinden (H.2Ö).

Diese Reaktion in einer einzelnen Brennstoffzelle erzeugt nur etwa 0,7 Volt. Um diese Spannung auf ein vernünftiges Niveau zu bringen, müssen viele separate Brennstoffzellen kombiniert werden, um eine zu bilden Brennstoffzellenstapel. Bipolare Platten werden verwendet, um eine Brennstoffzelle mit einer anderen zu verbinden und sind beiden ausgesetzt oxidierend und reduzieren Bedingungen und Potenziale. Ein großes Problem bei bipolaren Platten ist die Stabilität. Metallische Bipolarplatten können korrodieren und die Nebenprodukte der Korrosion (Eisen- und Chromionen) können die Wirksamkeit von Brennstoffzellenmembranen und -elektroden verringern. Niedertemperatur-Brennstoffzellen verwenden Leichtmetalle, Graphit und Kohlenstoff / duroplastische Verbundwerkstoffe (Duroplast ist eine Art Kunststoff, der auch bei hohen Temperaturen starr bleibt) als bipolares Plattenmaterial.

Im nächsten Abschnitt werden wir sehen, wie effizient Brennstoffzellenfahrzeuge sein können.

Chemie einer Brennstoffzelle Hondas FCX Concept Vehicle Foto Copyright 2007, mit freundlicher Genehmigung von AutoMotoPortal.com

Die Reduzierung der Umweltverschmutzung ist eines der Hauptziele der Brennstoffzelle. Wenn Sie ein Auto mit Brennstoffzellenantrieb mit einem Auto mit Benzinmotor und einem Auto mit Batteriebetrieb vergleichen, können Sie sehen, wie Brennstoffzellen die Effizienz von Autos heute verbessern können.

Da alle drei Fahrzeugtypen viele der gleichen Komponenten haben (Reifen, Getriebe usw.), werden wir diesen Teil des Fahrzeugs ignorieren und die Effizienz bis zu dem Punkt vergleichen, an dem mechanische Energie erzeugt wird. Beginnen wir mit dem Brennstoffzellenauto. (Alle diese Wirkungsgrade sind Näherungswerte, sollten jedoch nahe genug sein, um einen groben Vergleich zu ermöglichen.)

Wenn die Brennstoffzelle mit reinem Wasserstoff betrieben wird, kann sie einen Wirkungsgrad von bis zu 80 Prozent erreichen. Das heißt, es wandelt 80 Prozent des Energiegehalts des Wasserstoffs in elektrische Energie um. Wir müssen die elektrische Energie jedoch noch in mechanische Arbeit umwandeln. Dies wird durch den Elektromotor und den Umrichter erreicht. Eine vernünftige Zahl für den Wirkungsgrad des Motors / Umrichters liegt bei etwa 80 Prozent. Wir haben also einen Wirkungsgrad von 80 Prozent bei der Stromerzeugung und einen Wirkungsgrad von 80 Prozent bei der Umwandlung in mechanische Energie. Das ergibt eine Gesamteffizienz von etwa 64 Prozent. Das FCX-Konzeptfahrzeug von Honda soll eine Energieeffizienz von 60 Prozent haben.

Wenn die Kraftstoffquelle nicht reiner Wasserstoff ist, benötigt das Fahrzeug auch einen Reformer. Ein Reformer wandelt Kohlenwasserstoff- oder Alkoholbrennstoffe in Wasserstoff um. Sie erzeugen Wärme und produzieren neben Wasserstoff noch andere Gase. Sie verwenden verschiedene Geräte, um zu versuchen, den Wasserstoff zu reinigen, aber dennoch ist der aus ihnen austretende Wasserstoff nicht rein, was den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle senkt. Da Reformer die Effizienz von Brennstoffzellen beeinflussen, haben sich DOE-Forschungen trotz der mit der Wasserstoffproduktion und -speicherung verbundenen Herausforderungen entschlossen, sich auf Fahrzeuge mit reinem Wasserstoffbrennstoffzellen zu konzentrieren.

Als nächstes lernen wir die Effizienz von benzin- und batteriebetriebenen Autos kennen.

Wasserstoff

Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum. Wasserstoff existiert jedoch auf der Erde natürlich nicht in seiner elementaren Form. Ingenieure und Wissenschaftler müssen aus Wasserstoffverbindungen, einschließlich fossiler Brennstoffe oder Wasser, reinen Wasserstoff herstellen. Um Wasserstoff aus diesen Verbindungen zu extrahieren, muss man Energie ausüben. Die benötigte Energie kann in Form von Wärme, Strom oder sogar Licht kommen.

Foto © 2007, mit freundlicher Genehmigung von Airstream Fords Airstream-Konzept

Der Wirkungsgrad eines benzinbetriebenen Autos ist überraschend gering. Die gesamte Wärme, die als Abgas austritt oder in den Kühler gelangt, ist Energieverschwendung. Der Motor verbraucht auch viel Energie, um die verschiedenen Pumpen, Lüfter und Generatoren zu drehen, die ihn am Laufen halten. Der Gesamtwirkungsgrad eines Fahrzeuggasmotors ist also ungefähr 20 Prozent. Das heißt, nur etwa 20 Prozent des Wärmeenergiegehalts des Benzins werden in mechanische Arbeit umgewandelt.

Ein batteriebetriebenes Elektroauto hat einen ziemlich hohen Wirkungsgrad. Die Batterie hat einen Wirkungsgrad von etwa 90 Prozent (die meisten Batterien erzeugen Wärme oder müssen erwärmt werden), und der Elektromotor / Wechselrichter hat einen Wirkungsgrad von etwa 80 Prozent. Dies ergibt eine Gesamteffizienz von etwa 72 Prozent.

Das ist aber nicht die ganze Geschichte. Der Strom für das Auto musste irgendwo erzeugt werden. Wenn es in einem Kraftwerk erzeugt wurde, das einen Verbrennungsprozess verwendete (anstelle von Kernkraft, Wasserkraft, Sonne oder Wind), wurden nur etwa 40 Prozent des vom Kraftwerk benötigten Brennstoffs in Elektrizität umgewandelt. Der Ladevorgang des Fahrzeugs erfordert die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom. Dieser Prozess hat einen Wirkungsgrad von rund 90 Prozent.

Wenn wir also den gesamten Zyklus betrachten, beträgt der Wirkungsgrad eines Elektroautos 72 Prozent für das Auto, 40 Prozent für das Kraftwerk und 90 Prozent für das Laden des Autos. Das ergibt eine Gesamteffizienz von 26 Prozent. Der Gesamtwirkungsgrad variiert je nach Art des verwendeten Kraftwerks erheblich. Wenn der Strom für das Auto zum Beispiel von einem Wasserkraftwerk erzeugt wird, ist er grundsätzlich kostenlos (wir haben keinen Kraftstoff verbrannt, um ihn zu erzeugen), und die Effizienz des Elektroautos ist ungefähr 65 Prozent.

Wissenschaftler erforschen und verfeinern Entwürfe, um die Effizienz von Brennstoffzellen weiter zu steigern. Ein Ansatz besteht darin, Brennstoffzellen- und batteriebetriebene Fahrzeuge zu kombinieren. Ford Motors und Airstream entwickeln ein Konzeptfahrzeug mit einem Hybrid-Brennstoffzellenantrieb namens HySeries Drive. Ford behauptet, das Fahrzeug habe einen Kraftstoffverbrauch, der mit 41 Meilen pro Gallone vergleichbar sei. Das Fahrzeug treibt das Auto mit einer Lithiumbatterie an, während die Brennstoffzelle die Batterie auflädt.

Brennstoffzellenfahrzeuge sind möglicherweise so effizient wie ein batteriebetriebenes Auto, das auf einem nicht brennenden Kraftwerk basiert. Es könnte jedoch schwierig sein, dieses Potenzial auf praktische und erschwingliche Weise zu erreichen. Im nächsten Abschnitt werden wir einige der Herausforderungen untersuchen, die mit der Verwirklichung eines Brennstoffzellen-Energiesystems verbunden sind.

Goldene Katalysatoren

Die nanoskalige Wissenschaft könnte Brennstoffzellenentwicklern einige begehrte Antworten liefern. Beispielsweise ist Gold normalerweise ein nicht reaktives Metall. Wenn Goldpartikel jedoch auf Nanometergröße reduziert werden, können sie als Katalysator genauso wirksam sein wie Platin.

Brennstoffzellen könnten die Antwort auf unsere Energieprobleme sein, aber zuerst müssen Wissenschaftler einige wichtige Probleme lösen:

Kosten

Das Hauptproblem bei Brennstoffzellen ist, wie teuer sie sind. Viele der Bestandteile einer Brennstoffzelle sind teuer. Bei PEMFC-Systemen machen Protonenaustauschmembranen, Edelmetallkatalysatoren (normalerweise Platin), Gasdiffusionsschichten und bipolare Platten 70 Prozent der Systemkosten aus [Quelle: Grundlagenforschungsbedarf für eine Wasserstoffwirtschaft]. Um einen wettbewerbsfähigen Preis zu erzielen (im Vergleich zu benzinbetriebenen Fahrzeugen), müssen Brennstoffzellensysteme 35 USD pro Kilowatt kosten. Derzeit liegt der prognostizierte Massenproduktionspreis bei 73 USD pro Kilowatt [Quelle: Garland]. Insbesondere müssen Forscher entweder die Menge an Platin verringern, die als Katalysator benötigt wird, oder eine Alternative finden.

Haltbarkeit

Die Forscher müssen PEMFC-Membranen entwickeln, die langlebig sind und bei Temperaturen über 100 Grad Celsius arbeiten können und dennoch bei Umgebungstemperaturen unter Null funktionieren. Ein Temperaturziel von 100 Grad Celsius ist erforderlich, damit eine Brennstoffzelle eine höhere Toleranz gegenüber Verunreinigungen im Brennstoff aufweist. Da Sie ein Auto relativ häufig starten und stoppen, ist es wichtig, dass die Membran unter Fahrradbedingungen stabil bleibt. Gegenwärtig neigen Membranen dazu, sich zu verschlechtern, während Brennstoffzellen ein- und ausgeschaltet werden, insbesondere wenn die Betriebstemperaturen steigen.

Flüssigkeitszufuhr

Da PEMFC-Membranen hydratisiert werden müssen, um Wasserstoffprotonen zu übertragen, müssen die Forscher einen Weg finden, Brennstoffzellensysteme zu entwickeln, die bei Temperaturen unter Null, Umgebungen mit niedriger Luftfeuchtigkeit und hohen Betriebstemperaturen weiterarbeiten können. Bei etwa 80 Grad Celsius geht die Hydratation ohne ein Hochdruck-Hydratationssystem verloren.

Die SOFC hat ein damit verbundenes Problem mit der Haltbarkeit. Festoxidsysteme haben Probleme mit der Materialkorrosion. Die Integrität der Dichtung ist ebenfalls ein wichtiges Anliegen. Das Kostenziel für SOFCs ist mit 400 USD pro Kilowatt weniger restriktiv als für PEMFC-Systeme. Aufgrund der hohen Materialkosten gibt es jedoch keine offensichtlichen Mittel, um dieses Ziel zu erreichen. Die SOFC-Haltbarkeit leidet, nachdem sich die Zelle wiederholt auf Betriebstemperatur erwärmt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt hat.

Lieferung

Der technische Plan des Energieministeriums für Brennstoffzellen besagt, dass die derzeit verfügbaren Luftkompressortechnologien nicht für den Fahrzeuggebrauch geeignet sind, was die Entwicklung eines Wasserstoff-Kraftstoffversorgungssystems problematisch macht.

Infrastruktur

Damit PEMFC-Fahrzeuge eine tragfähige Alternative für Verbraucher darstellen, muss eine Infrastruktur zur Wasserstofferzeugung und -abgabe vorhanden sein. Diese Infrastruktur könnte Pipelines, LKW-Transporte, Tankstellen und Wasserstofferzeugungsanlagen umfassen. Das DOE hofft, dass die Entwicklung eines marktfähigen Fahrzeugmodells die Entwicklung einer Infrastruktur zur Unterstützung dieses Modells vorantreiben wird.

Lagerung und andere Überlegungen

Dreihundert Meilen sind eine herkömmliche Driving Range (die Entfernung, die Sie in einem Auto mit vollem Tank fahren können). Um mit einem Brennstoffzellenfahrzeug ein vergleichbares Ergebnis zu erzielen, müssen die Forscher die Überlegungen zur Wasserstoffspeicherung, das Fahrzeuggewicht und -volumen, die Kosten und die Sicherheit berücksichtigen.

Während PEMFC-Systeme mit Verbesserungen leichter und kleiner geworden sind, sind sie immer noch zu groß und zu schwer für den Einsatz in Standardfahrzeugen.

Es gibt auch Sicherheitsbedenken im Zusammenhang mit der Verwendung von Brennstoffzellen. Der Gesetzgeber muss neue Prozesse entwickeln, denen Ersthelfer folgen können, wenn sie einen Vorfall mit einem Brennstoffzellenfahrzeug oder -generator behandeln müssen. Ingenieure müssen sichere und zuverlässige Wasserstoffversorgungssysteme entwickeln.

Forscher stehen vor erheblichen Herausforderungen. Im nächsten Abschnitt werden wir untersuchen, warum die Vereinigten Staaten und andere Nationen in Forschung investieren, um diese Hindernisse zu überwinden.

Membranen auf aromatischer Basis

Eine Alternative zu aktuellen Perfluorsulfonsäuremembranen sind Membranen auf aromatischer Basis. Aromatisch bezieht sich in diesem Fall nicht auf den angenehmen Duft der Membran - es bezieht sich tatsächlich auf aromatische Ringe wie Benzol, Pyridin oder Indol. Diese Membranen sind bei höheren Temperaturen stabiler, erfordern jedoch immer noch eine Hydratation. Darüber hinaus quellen Membranen auf Aromatenbasis auf, wenn sie die Hydratation verlieren, was die Effizienz der Brennstoffzelle beeinträchtigen kann.

Warum arbeitet die US-Regierung mit Universitäten, öffentlichen Organisationen und privaten Unternehmen zusammen, um alle Herausforderungen zu bewältigen, die entstehen, wenn Brennstoffzellen zu einer praktischen Energiequelle werden? Mehr als eine Milliarde Dollar wurden für Forschung und Entwicklung an Brennstoffzellen ausgegeben. Der Bau und die Wartung einer Wasserstoffinfrastruktur werden erheblich mehr kosten (einige Schätzungen gehen von über 500 Milliarden Dollar aus). Warum hält der Präsident Brennstoffzellen für die Investition wert??

Die Hauptgründe haben alles mit Öl zu tun. Amerika muss 55 Prozent seines Öls importieren. Bis 2025 soll dieser Anteil auf 68 Prozent steigen. Zwei Drittel des Öls, das Amerikaner täglich verwenden, sind für den Transport bestimmt. Selbst wenn jedes Fahrzeug auf der Straße ein Hybridauto wäre, müssten wir bis 2025 immer noch die gleiche Menge Öl verbrauchen wie heute [Quelle: Fuel Cells 2000]. Tatsächlich verbraucht Amerika ein Viertel des gesamten weltweit produzierten Öls, obwohl nur 4,6 Prozent der Weltbevölkerung hier leben [Quelle: Nationale Sicherheitsfolgen der US-Ölabhängigkeit].

Experten gehen davon aus, dass die Ölpreise in den nächsten Jahrzehnten weiter steigen werden, da immer mehr kostengünstige Quellen erschöpft sind. Ölunternehmen müssen in zunehmend herausfordernden Umgebungen nach Ölvorkommen suchen, was die Ölpreise in die Höhe treiben wird.

Die Bedenken gehen weit über die wirtschaftliche Sicherheit hinaus. Der Council on Foreign Relations veröffentlichte 2006 einen Bericht mit dem Titel "Nationale Sicherheitsfolgen der US-Ölabhängigkeit". Eine Task Force erläuterte zahlreiche Bedenken darüber, wie die zunehmende Abhängigkeit Amerikas von Öl die Sicherheit der Nation gefährdet. Ein Großteil des Berichts konzentrierte sich auf die politischen Beziehungen zwischen Nationen, die Öl fordern, und den Nationen, die es liefern. Viele dieser ölreichen Nationen befinden sich in Gebieten mit politischer Instabilität oder Feindseligkeit. Andere Nationen verletzen die Menschenrechte oder unterstützen sogar Maßnahmen wie Völkermord. Es ist im besten Interesse der Vereinigten Staaten und der Welt, nach Alternativen zu Öl zu suchen, um eine Finanzierung solcher Maßnahmen zu vermeiden.

Die Verwendung von Öl und anderen fossilen Brennstoffen zur Energiegewinnung verursacht Umweltverschmutzung. Umweltverschmutzungsprobleme waren in letzter Zeit viel in den Nachrichten - vom Film "Eine unbequeme Wahrheit" bis zur Ankündigung, dass der Klimawandel und die globale Erwärmung künftige Anpassungen der Weltuntergangsuhr berücksichtigen würden. Es ist im besten Interesse aller, eine Alternative zur Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Energiegewinnung zu finden.

Brennstoffzellentechnologien sind eine attraktive Alternative zur Ölabhängigkeit. Brennstoffzellen geben keine Verschmutzung ab und produzieren tatsächlich reines Wasser als Nebenprodukt. Obwohl sich die Ingenieure kurzfristig auf die Erzeugung von Wasserstoff aus Quellen wie Erdgas konzentrieren, plant die Wasserstoffinitiative, in Zukunft nach erneuerbaren, umweltfreundlichen Möglichkeiten zur Erzeugung von Wasserstoff zu suchen. Da Sie Wasserstoff aus Wasser produzieren können, könnten sich die USA bei der Energieerzeugung zunehmend auf heimische Quellen verlassen.

Andere Länder untersuchen ebenfalls Brennstoffzellenanwendungen. Ölabhängigkeit und globale Erwärmung sind internationale Probleme. Mehrere Länder arbeiten zusammen, um die Forschungs- und Entwicklungsbemühungen im Bereich der Brennstoffzellentechnologien voranzutreiben. Eine Partnerschaft ist die Internationale Partnerschaft für die Wasserstoffwirtschaft.

Es ist klar, dass Wissenschaftler und Hersteller noch viel zu tun haben, bevor Brennstoffzellen eine praktische Alternative zu den derzeitigen Energieerzeugungsmethoden darstellen. Mit weltweiter Unterstützung und Zusammenarbeit könnte das Ziel eines funktionsfähigen Energiesystems auf Brennstoffzellenbasis in ein paar Jahrzehnten Wirklichkeit werden.

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Eine Brennstoffzelle, die mit Abfall betrieben wird

Umweltingenieure an der Pennsylvania State University entwickelten eine Brennstoffzelle, die mit Abwasser betrieben wird. Die Zelle verwendet Mikroben, um organische Stoffe abzubauen. Die Materie setzt wiederum Wasserstoff und Elektronen frei. Die Brennstoffzelle kann ungefähr 80 Prozent der organischen Substanz im Abwasser abbauen, und wie bei PEMFCs wird Wärme und reines Wasser abgegeben. Die von der Brennstoffzelle erzeugte Energie könnte dazu beitragen, ein Pumpensystem einer Wasseraufbereitungsanlage anzutreiben.

Internationale Partnerschaft für die Wasserstoffwirtschaft
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Weitere großartige Links

  • Büro für grundlegende Energiewissenschaften
  • Brennstoffzellen 2000
  • Das Wasserstoffprogramm des Energieministeriums
  • Energieeffizienz und erneuerbare Energien
  • Grundlagen der Brennstoffzellen von Smithsonian

Quellen

  • "Grundlagenforschungsbedarf für die Wasserstoffwirtschaft." Office of Science, Department of Energy.http: //www.sc.doe.gov/bes/hydrogen.pdf
  • Deutch, John et al. "Nationale Sicherheitsfolgen der US-Ölabhängigkeit." Bericht der unabhängigen Task Force Nr. 58.http: //www.cfr.org/content/publications/attachments/EnergyTFR.pdf
  • Girlande, Nancy. "Übersicht über das Unterprogramm für Brennstoffzellen." US-Energieministerium. 19. Dezember 2008. (19. März 2009) http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/progress08/v_0_fuel_cells_overview.pdf 
  • Goho, Alexandra. "Mikropower heizt sich auf: Propan-Brennstoffzellen bieten viel Schlagkraft." McGraw-Hill Encyclopedia of Science and Technology.
  • Goho, Alexandra. "Sonderbehandlung: Brennstoffzelle bezieht Energie aus Abfall." McGraw-Hill Encyclopedia of Science and Technology.
  • "Wasserstoff-Haltungsplan." Energieministerium der Vereinigten Staaten. http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells /pdfs/hydrogen_posture_plan.pdf
  • Rose, Robert. "Fragen und Antworten zu Wasserstoff- und Brennstoffzellen." Breakthrough Technologies Institute.http: //www.fuelcells.org
  • Zeugnis von David Garman, Unterstaatssekretär für Energie. Ausschuss für Energie und nationale Ressourcen, Senat der Vereinigten Staaten. http://www1.eere.energy.gov/office_eere/ congressional_test_071706_senate.html
  • US-Energieministerium Wasserstoffprogrammhttp: //www.hydrogen.energy.gov



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