Was ist eine Brennstoffzelle?
Eine Brennstoffzelle ist ein Gerät zur Nutzung der elektrischen Energie, die bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser entsteht, wobei Wasserstoff der Brennstoffelektrode und Sauerstoff der Luftelektrode über den Elektrolyten zugeführt wird, um eine Reaktion auszulösen. Im Vergleich zur Verwendung fossiler Brennstoffe sind die Umweltauswirkungen äußerst gering und die Energieeffizienz ist hervorragend. Es wird erwartet das dieser Sektor weiterhin wächst.
Neben Wasserstoff selbst können auch fossile Brennstoffe wie Erdgas, Flüssiggas und Methanol durch Reformierung mit Hilfe eines Katalysators als Energiequelle genutzt werden und werden je nach Standort und Anwendung eingesetzt.
Anwendungen von Brennstoffzellen
Als Brennstoffzellen entwickelt wurden, wurden sie in Raumfahrzeugen zur gleichzeitigen Gewinnung von Strom und Wasserstoff eingesetzt.
Brennstoffzellengeneratoren für Haushalte werden installiert, um die Stromerzeugung in Spitzenzeiten des Stromverbrauchs zu unterstützen, und nutzen Stadtgas als Wasserstoffquelle für die Stromerzeugung.
Ein weiterer Bereich, der viel Aufmerksamkeit auf sich zieht, sind Brennstoffzellenfahrzeuge, die verschiedene Vorteile haben, wie z. B. eine große Reichweite ohne Nachladen und eine geringe Umweltbelastung. Allerdings gibt es noch Probleme, die bei der Entwicklung von Wasserstofftankstellen und anderen Bereichen gelöst werden müssen, wenn sie mit einer geringen Umweltbelastung vereinbar sind.
Funktionsweise der Brennstoffzelle
Es gibt vier Arten von Brennstoffzellen, je nach Art des verwendeten Elektrolyts: Polymerelektrolytbrennstoffzellen und Festoxidbrennstoffzellen.
Die Polymerelektrolytbrennstoffzelle zeichnet sich durch die Verwendung einer Kationenaustauschmembran auf Fluorpolymerbasis als Elektrolyt aus und nutzt neben reinem Wasserstoff auch Methanol oder Stadtgas als Brennstoff. Aufgrund ihres relativ einfachen Aufbaus und ihrer kompakten Größe werden sie in zahlreichen Anwendungen wie Haushaltsgeneratoren und Brennstoffzellenfahrzeugen eingesetzt, doch wird derzeit daran geforscht, den Einsatz von Platinkatalysatoren zu reduzieren, da diese teuer sind.
Festoxidbrennstoffzellen zeichnen sich durch die Verwendung von Keramik als Elektrolyt aus und verwenden, wie der Polymerelektrolyt-Typ, reinen Wasserstoff, Methanol oder Stadtgas als Brennstoff. Die Struktur ist einfacher als die des Polymerelektrolyt-Typs, der theoretische Wirkungsgrad der Stromerzeugung ist höher und teure Platinkatalysatoren sind unnötig. Die Verifizierung und Verbesserung ist im Gange.
Vorteile von Brennstoffzellen
Brennstoffzellen haben die folgenden Vorteile:
①Hoher Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung:
Bei der thermischen Stromerzeugung wird die Wärme der Brennstoffverbrennung zur Erzeugung von Dampf genutzt, der eine Turbine zur Stromerzeugung antreibt. In diesem Fall kommt es zu Energieverlusten, da die chemische Energie des Brennstoffs über thermische und kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Darüber hinaus geht auch bei der Übertragung des Stroms vom Kraftwerk Energie verloren. Brennstoffzellen für den Hausgebrauch haben dagegen einen sehr hohen Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung, da sie die chemische Energie ohne Übertragungsverluste direkt in elektrische Energie umwandeln.
② Stabile Energiequelle:
Der in Brennstoffzellen verwendete Wasserstoff kann aus verschiedenen Rohstoffen wie Flüssiggas, Erdgas, Erdöl, Methanol und Biomasse gewonnen werden, so dass eine stabile Versorgung mit Brennstoff gewährleistet ist.
③ Geringe Umweltauswirkungen:
Bei der Verbrennung von Brennstoff, wie bei der thermischen Stromerzeugung, entstehen nicht nur Kohlendioxid, sondern auch Stickoxide, Schwefeloxide und andere Luftschadstoffe. Brennstoffzellen hingegen sind sehr umweltfreundlich, da bei der Stromerzeugung nur Wasser anfällt.
④ Sehr leise:
Da Brennstoffzellen keine Turbinen oder andere Geräte benötigen und Strom allein durch chemische Reaktionen erzeugen, sind sie im Betrieb sehr leise und erzeugen nur geringe Vibrationen.
Brennstoffzellen haben also sehr gute Eigenschaften, stehen aber derzeit vor Herausforderungen wie hohen Kosten und einer kurzen Lebensdauer.