Wie man die einfachste Brennstoffzelle aller Zeiten baut

Brennstoffzelle

Die einfachste Brennstoffzelle "verbrennt" Wasserstoff in einer flammenlosen chemischen Reaktion, um Elektrizität zu erzeugen. Um den Wasserstoff zu "verbrennen", benötigt eine Brennstoffzelle eine Sauerstoffquelle, die üblicherweise aus Luft gewonnen wird. Das einzige Nebenprodukt dieser Art von Brennstoffzellen ist Wasser.

Im Gegensatz zu einer Batterie speichert eine Brennstoffzelle keine Chemikalien, um Energie zu erzeugen. Eine Brennstoffzelle erzeugt Elektrizität, solange Brennstoff und Sauerstoff zugeführt werden.

Die Schaltung in einer einfachen Brennstoffzelle

Eine einfache Brennstoffzelle besteht aus zwei Leitern (einer Anode und einer Kathode), die durch einen Ionenleiter - einen Elektrolyten - (z. B. eine Salzlösung) getrennt sind. Wasserstoff wird zur Anode und Sauerstoff zur Kathode gepumpt. Wasserstoff reagiert mit geladenen Teilchen (Ionen) im Elektrolyten und produziert Wasser und Elektronen. Die Elektronen verlassen die Brennstoffzelle entlang von Drähten; Dies ist der elektrische Strom, der von der Zelle erzeugt wird. Die Elektronen kehren zu der Brennstoffzellenkathode zurück, wo sie sich mit Sauerstoff und Wasser verbinden, um Ionen zu bilden, die diejenigen ersetzen, die an der Anode verbraucht werden. Und so geht der Kreislauf weiter: Wasserstoff und Sauerstoff werden bei der Stromerzeugung zu Wasser.

Einfache Brennstoffzellen im Weltraum

Jede einfache Brennstoffzelle erzeugt bis zu 1,23 Volt. Einzelne Zellen können miteinander verdrahtet werden, um größere Spannungen oder höheren Strom zu erzeugen. Das Space Shuttle beispielsweise hat 96 Einzelzellen, die in drei Stapeln angeordnet sind. Wenn Wasserstoff und Sauerstoff in die Brennstoffzellen des Shuttles gepumpt werden, erzeugen sie 28 Volt Gleichstrom sowie Wärme und Wasser. Die Wärme wird genutzt, um die flüssigen Brennstoffe zu verdampfen, bevor sie die Brennstoffzellen erreichen. Wasser fließt in Vorratsbehälter für Trink- und andere Zwecke.

Einige verschiedene Arten von Brennstoffzellen

Brennstoffzellen basieren auf einem einfachen Prinzip. Die beteiligten chemischen Reaktionen treten jedoch nicht ohne weiteres auf. Wenn nicht spezielle Materialien zum Aufbau der Zellen verwendet werden, wird sehr wenig elektrischer Strom erzeugt. Ein Großteil der Forschung mit kommerziellen Brennstoffzellen hat sich auf die Entwicklung geeigneter Elektrolyte konzentriert.

  • Phosphorsäure-Brennstoffzellen Unter Verwendung von Säure als Elektrolyt und durch Wasserstoffgas betrieben, sind die am meisten kommerziell entwickelten Arten von Brennstoffzellen. Sie werden im Ausland in Krankenhäusern, Pflegeheimen, Hotels, Büros und Schulen eingesetzt.
  • Geschmolzene Karbonatbrennstoffzellen versprechen hohe Effizienz und können mit Kohlekraftstoffen wie Kohlenmonoxid anstelle von Wasserstoff betrieben werden. Diese Zellen müssen bei hohen Temperaturen (etwa 650 ° C) betrieben werden, da sie einen Carbonatelektrolyten aufweisen, der in flüssiger Form gehalten werden muss.

Ein australisches Unternehmen, Ceramic Fuel Cells Ltd, entwickelt sich kommerziell hocheffizient Festoxid-Brennstoffzellen (auch bekannt als keramische Brennstoffzellen ). Diese Zellen haben im Gegensatz zu ihren Vorgängern einen Festelektrolyten, der die beiden Elektroden trennt. Die Zellen können mit einer Vielzahl von Gasen betrieben werden, einschließlich Wasserstoff, Erdgas oder Kohlegas.

Sie versprechen, sehr effizient zu sein. Sie arbeiten bei 800 ° C und die heißen Abgase können einer Turbine zugeführt werden, wodurch noch mehr Strom gewonnen wird.

Der Festelektrolyt besteht aus einer besonders zähen keramischen Membran aus Zirkonoxid. Zirkonoxid oder Zirkonoxid ist eine Verbindung des Metallzirkoniums. (Praktischerweise kommen 70 Prozent der weltweiten Versorgung mit diesem Metall aus Australien.) Erhitzen Sie das Zirkoniumdioxid und Sie haben einen Festkörperelektrolyt, der in der Lage ist, Oxidionen schnell von Kathode zu Anode zu übertragen.

Der Trick, die Oxidionen durch den Festelektrolyten wandern zu lassen, besteht darin, winzige Mengen des Elements Yttrium, ein silbrig-graues Metall, während der Herstellung dem Zirkoniumdioxid zuzusetzen. Die kristalline Anordnung von Zirkonoxid (ZrO 2 ) hat zu jedem Zirkoniumion zwei Oxidionen. Aber in Yttriumoxid sind zu jedem Yttriumion nur 1,5 Oxidionen vorhanden. Das Ergebnis: Lücken in der Kristallstruktur, in denen Oxidionen fehlen. Daher springen Oxidionen von der Kathode von Loch zu Loch, bis sie die Anode erreichen.

Sobald sie an der Anode sind, reagieren die Oxidionen leicht mit dem gasförmigen Brennstoff, auf den sie stoßen - Kohlenmonoxid, Wasserstoff oder Methan - und setzen Elektrizität frei.

Protonenaustauschmembran (PEM) Brennstoffzellen, auch bekannt als Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen , sind die vielversprechendste Technologie für Transportanwendungen. Die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen bestehen aus Komponenten aus Kohlenstoff und Polymer und arbeiten bei 60-90 ° C. Sie sind leichtgewichtig und ermöglichen schnelles Starten und Herunterfahren. Sie sind auch sehr kompakt.

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