Brennstoffzellen

Was ist eine
Brennstoffzelle?

Wir unterstützen Brennstoffzellenprogramme auf der ganzen Welt kontinuierlich mit Ausrüstung, Tests und Implementierung sowie Systemintegration. Unsere Niederdruckmodule mit nicht befeuchteten Zellen bieten unübertroffene Zuverlässigkeit, Kraftstoffeffizienz, geräuscharmen Betrieb und einfache Wartung.

Vier Grundelemente einer PEM-Brennstoffzelle

Wenn Wasserstoff mit dem Katalysator in Kontakt kommt, spaltet sich der Wasserstoff in Protonen und Elektronen auf. Die Protonen passieren die Protonenaustauschmembran ungehindert und gelangen zur Kathodenseite, während die Elektronen blockiert und gezwungen werden, sich durch einen externen Stromkreis zu bewegen. Während sie sich entlang des externen Stromkreises bewegen, liefern sie den Strom, der zum Beleuchten einer Glühbirne oder zum Antreiben eines Motors erforderlich ist. Schließlich vereinigen sich die Wasserstoffprotonen und -elektronen wieder und verbinden sich mit Sauerstoff, um Wasser zu erzeugen.

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Die Anode

Der negative Pol der Brennstoffzelle hat mehrere Aufgaben. Darin sind Kanäle geätzt, die Wasserstoffgas gleichmäßig über die Oberfläche des Katalysators verteilen. Er leitet auch die von den Wasserstoffmolekülen befreiten Elektronen, sodass sie in einem externen Stromkreis verwendet werden können.

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Die Kathode

In den positiven Pol der Brennstoffzelle sind auch Kanäle eingeätzt, die den Sauerstoff auf der Oberfläche des Katalysators verteilen. Die Kathode leitet die Elektronen auch vom externen Kreislauf zum Katalysator zurück, wo sie sich mit den Wasserstoffionen und dem Sauerstoff zu Wasser rekombinieren können.

Der Elektrolyt

Das ist die Protonenaustauschmembran. Dieses speziell behandelte Material, das wie eine gewöhnliche Plastikfolie aus der Küche aussieht, leitet nur positiv geladene Ionen und blockiert Elektronen. Für eine PEMFC muss die Membran hydratisiert sein, um zu funktionieren und stabil zu bleiben.

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Der Katalysator

Dies 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, sodass die maximale Oberfläche des Platins dem Wasserstoff oder Sauerstoff ausgesetzt werden kann.

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Der Prozess

1

Wasserstoffgas tritt auf der Anodenseite in die Brennstoffzelle ein, wo das elektrochemische Potential es durch den Katalysator zieht.

Abbildung des Vorgangs.

2

Wenn Wasserstoffmoleküle mit dem Platin am Katalysator in Kontakt kommen, teilen sie sich in zwei Protonen (H+-Ionen) und zwei Elektronen (e-). 

Abbildung.

3

Währenddessen wird auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle Sauerstoffgas durch den Katalysator gedrückt, wo es zwei Sauerstoffatome bildet. Diese Atome haben eine starke negative Ladung, die die beiden Wasserstoffprotonen durch die Austauschmembran zieht. 

Abbildung.

4

Die Elektronen wandern gleichzeitig durch die Anode und dann durch einen externen Stromkreis, der Elektrizität erzeugt, und kehren schließlich zur Kathodenseite der Brennstoffzelle zurück.

Abbildung.
Brennstoffzellenmodul.

Brennstoffzellenmodul

Alle diese Reaktionen finden in einem Zellenstapel statt. Zellenstapel sind in einem größeren System enthalten, das Kraftstoff-, Wasser- und Luftmanagement, Kühlmittelsteuerung, Hardware und Software umfasst. Die Systeme variieren in Größe und Verwendung je nach Anwendung, vom Transport über Industriemaschinen bis hin zur Notstromversorgung, die das Stromnetz ergänzen kann.

Vorteile der Brennstoffzellentechnologie

  • Durch die direkte Umwandlung chemischer potentieller Energie in elektrische Energie vermeiden Brennstoffzellen einen thermischen Engpass (eine Folge des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik) und sind daher von Natur aus effizienter als Verbrennungsmotoren, die zuerst chemische potentielle Energie in Wärme und dann mechanische Arbeit umwandeln müssen.
  • Das Fehlen von Auspuffemissionen bietet einen Umweltvorteil gegenüber einem Verbrennungsmotor.
  • Brennstoffzellen haben wenige bewegliche Teile, was die Zuverlässigkeit erhöht und die Wartung im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor verringert.
  • Wenn Wasserstoff aus erneuerbarem Strom wie Solar-, Wind- oder Wasserkraft erzeugt wird, handelt es sich um einen vollständig entkohlten und erneuerbaren Kraftstoff ohne Emissionen.
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