Die Grundlagen der Wasserstoff-Brennstoffzellen
Erfahren Sie mehr über die wissenschaftlichen Details, die industriellen Anwendungen und die wichtigsten Vorteile dieser entscheidenden sauberen Energietechnologie für die Dekarbonisierung.
Was ist die Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie?
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Wasserstoff-Brennstoffzellen sind Anlagen, die die chemische Energie von Wasserstoff in Elektrizität umwandeln. Sie funktionieren mit einem elektrochemischen Prozess, bei dem sich Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser verbindet und als Nebenprodukt Elektrizität erzeugt wird.
Wasserstoff-Brennstoffzellen sind eine vielversprechende Technologie für saubere Energie und werden ein wesentlicher Bestandteil der industriellen Dekarbonisierungsbemühungen sein. Bisher wurde die Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie u. a. in Schwerlast-Brennstoffzellenfahrzeugen, Raumfahrzeugen, Rechenzentren und Lagerhäusern eingesetzt. Mögliche zukünftige Anwendungen reichen von tragbaren elektronischen Geräten über Krankenhäuser bis hin zu militärischen Anwendungen.
Wie funktioniert eine Wasserstoff-Brennstoffzelle?
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Wasserstoff-Brennstoffzellen funktionieren wie umgekehrte Elektrolyseanlagen. Während Elektrolyseanlagen Strom nutzen, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen, erzeugen Brennstoffzellen Strom, indem sie Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser reagieren lassen.
Der Brennstoff Wasserstoff wird auf der Anodenseite der Brennstoffzelle aus einem externen Vorratstank zugeführt, während der Sauerstoff auf der Kathodenseite aus der Luft entnommen wird. Wasserstoff wird an der Anode oxidiert (verliert Elektronen, wird positiv geladen), während Sauerstoff an der Kathode reduziert wird (gewinnt Elektronen, wird negativ geladen). Ein Elektrolyt wird verwendet, um Ionen zwischen der Kathode und der Anode zu übertragen. Je nach Brennstoffzellentyp bildet sich das Wasser entweder an der Kathode oder an der Anode.
Während der Oxidation wandern die überschüssigen Elektronen durch einen externen Lastkreis von der Anode zur Kathode. Dieser elektrische Strom erzeugt die Leistung der Brennstoffzelle.
Typen von Wasserstoff-Brennstoffzellen
Es gibt vier Haupttypen von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologien, die sich vor allem durch den Elektrolyt unterscheiden, der für die Einleitung der Oxidation verwendet wird. Jede hat ihre eigenen Vorteile.
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PEM-Brennstoffzellen
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM) sind auch als Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen bekannt. An der Anode wird Wasserstoff zugeführt und mit Hilfe eines Katalysators oxidiert. Die Wasserstoffionen gelangen durch die PEM zur Kathode, während die Elektronen über einen externen Lastkreis zur Kathode gelangen. Der Sauerstoff wird an der Kathode reduziert, wo er sich mit Wasserstoffionen zu Wasser verbindet. Der durch den Elektronenfluss erzeugte Strom erzeugt die Leistung der PEM-Brennstoffzelle.
Wasserstoff-PEM-Brennstoffzellen arbeiten bei niedrigeren Temperaturen (typischerweise 50-100 °C) als andere Wasserstoff-Brennstoffzellen und bieten gleichzeitig hohe Leistungsdichten und schnelle Anlaufzeiten. Sie werden in erster Linie für das Verkehrswesen, einschließlich Personen- und Nutzfahrzeuge, sowie für mögliche Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt entwickelt.
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Festoxid-Brennstoffzellen
Festoxid-Brennstoffzellen sind äußerst langlebig und energieeffizient und eignen sich ideal für Anwendungen, bei denen Abwärme genutzt werden kann. Im Gegensatz zu PEM-Brennstoffzellen sind sie aufgrund ihrer langen Anlaufzeiten und hohen Betriebstemperaturen von bis zu 1.000 °C für die meisten Transportanwendungen nicht optimal. Festoxid-Brennstoffzellen werden vor allem für stationäre Stromgeneratoren in Gebäuden wie Krankenhäusern und Rechenzentren entwickelt.
Aufgrund ihrer hohen Betriebstemperaturen müssen Festoxid-Brennstoffzellen extrem robust sein. Brennstoffzellenkomponenten, die mit 3M™ Nextel Keramikfasern und Textilien konstruiert wurden, können extremen Temperaturen und Temperaturschwankungen standhalten. Dies dient dem Schutz der Stacks und somit der Langlebigkeit der Zellen.
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Alkali-Brennstoffzellen
Alkalische Brennstoffzellen verwenden einen wässrigen alkalischen Elektrolyt (meist Kaliumhydroxid), um Hydroxid-Ionen von der Kathode zur Anode zu leiten. Auch mit alkalischen Festkörper-Brennstoffzellen, die eine Anionenaustauschermembran verwenden, wurde bereits experimentiert. An der Anode bildet sich Wasser, das einen Elektronenfluss im Lastkreis erzeugt.
Alkalische Brennstoffzellen sind der älteste Typ von Wasserstoff-Brennstoffzellen. Sie wurden 1932 erfunden und von der NASA bei den Apollo-Missionen von 1968 bis 1972 eingesetzt. Obwohl alkalische Brennstoffzellen weitgehend durch PEM- oder Festoxid-Alternativen ersetzt wurden, werden sie aufgrund ihrer hohen Energieeffizienz und Zuverlässigkeit in Raumfahrzeugen eingesetzt. Ein weiterer Vorteil der alkalischen Brennstoffzellen sind die relativ geringen Materialkosten.
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Phosphorsäure-Brennstoffzellen
Phosphorsäure-Brennstoffzellen verwenden einen flüssigen Phosphorsäure-Elektrolyt. Ähnlich wie bei PEM-Brennstoffzellen strömen Wasserstoffionen durch den Elektrolyt zur Kathode, während Elektronen durch den Lastkreis fließen. An der Kathode verbinden sich Wasserstoffionen mit Sauerstoff zu Wasser.
Im Vergleich zu anderen Wasserstoff-Brennstoffzellen weisen Phosphorsäure-Brennstoffzellen eine höhere Toleranz gegenüber Verunreinigungen wie CO₂ im Brennstoffstrom auf. Dies ermöglicht die Verwendung von Wasserstoff aus der Dampfreformierung, bei der CO₂ als Nebenprodukt entsteht. Sie arbeiten bei Temperaturen von 150-200 °C und ermöglichen eine effektive Abwärmenutzung, ohne die extremen Temperaturen, die beim Betrieb von Festoxid-Brennstoffzellen entstehen.
Perspektive für saubere Energietechnologie
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Die Bedeutung von grünem WasserstoffEs wird allgemein erwartet, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen eine entscheidende Rolle bei der Unterstützung der sauberen Energiewende und beim Erreichen der globalen Klimaziele spielen werden. Während des Betriebs der Brennstoffzelle werden nur drei Dinge erzeugt: Elektrizität, Wärme und Wasser.
Das macht Wasserstoff-Brennstoffzellen jedoch nicht unbedingt zu einer emissionsfreien Technologie. Je nach den verwendeten Rohstoffen und Energiequellen kann bei der Wasserstoffproduktion noch CO₂ emittiert werden.
Wasserstoff, der durch Wasserelektrolyse unter Verwendung emissionsarmer, regenerativer Energiequellen wie Wind oder Sonne hergestellt wird, wird als grüner Wasserstoff bezeichnet. Brennstoffzellen, die mit grünem Wasserstoff betrieben werden, können viel Energie mit einem sehr geringen CO₂-Fußabdruck liefern, was dazu beiträgt, die Abhängigkeit der Industrie von fossilen Brennstoffen zu verringern und den Weg zur Dekarbonisierung zu ebnen.
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Ein regenerativer EnergieträgerEs ist wichtig, zu verstehen, dass Wasserstoff keine Energiequelle ist. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen, die in der Natur unterirdisch vorkommen und nach ihrer Gewinnung und Raffination Energie liefern, verbraucht die Wasserstoffproduktion immer mehr Energie, als sie an Brennstoff liefert.
Wasserstoff ist vielmehr ein Energieträger. Er ermöglicht die Speicherung, den Transport und die Nutzung von Energie, die ursprünglich aus anderen Quellen stammt.
Für Energiequellen mit zeitlich schwankender Leistung wie Wind- oder Solarenergie ist die Wasserstoffproduktion ein Mittel, um überschüssige Energie zu speichern, die in Spitzenzeiten erzeugt wird. Brennstoffzellen ermöglichen den Zugriff auf diese Energie in Zeiten mit geringer Produktion und bei Anwendungen (z. B. bei Fahrzeugen), die weit von der Energiequelle entfernt sind. Dies ist die entscheidende Rolle, die Wasserstoff-Brennstoffzellen in der sauberen Energietechnologie und der Dekarbonisierung in der Industrie spielen.
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Vorteile gegenüber Batterien
- Wie Lithium-Ionen-Batterien ermöglichen Wasserstoff-Brennstoffzellen die Nutzung regenerativer Energien in einer Vielzahl von Anwendungen. Im Gegensatz zu Batterien wandeln Brennstoffzellen Kraftstoff aus einem Wasserstoffspeicher in Energie um, anstatt selbst die Energie zu speichern.
- Wasserstoff-Brennstoffzellen bieten mehrere Vorteile gegenüber Lithium-Ionen-Batterien.
- Erstens hat Wasserstoff eine viel höhere Energiedichte als eine typische Batterie. Im Automobilbereich können eine Wasserstoff-Brennstoffzelle und ein Wasserstoffspeicher eine größere Reichweite bei geringerem Gewicht ermöglichen als vergleichbare batteriebetriebene Fahrzeugkonzepte.
- Zweitens ist das Betanken von Brennstoffzellen im Durchschnitt viel schneller als das Aufladen von Batterien. Dies ist von entscheidender Bedeutung für den kommerziellen Transport und die Logistikbranche (Lastzüge und Auslieferungsfahrzeuge), wo die Stillstandzeiten der Fahrzeuge minimiert werden müssen.
- Schließlich haben Wasserstoff-Brennstoffzellen eine viel höhere Lebensdauer als die meisten Lithium-Ionen-Batterien und lassen sich am Ende ihrer Nutzungszeit besser recyceln. Dadurch verringert sich der CO₂-Fußabdruck, der bei der Herstellung von Brennstoffzellen entsteht.
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