Die Polymerelektrolytbrennstoffzelle (engl. Polymerelektrolyt – Brennstoffzelle , PEFC , Auch Protonenaustauschmembran-fuel cell , engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cell , PEMFC oder Feststoffpolymer-Brennstoffzelle , engl. Festpolymer – Brennstoffzelle , SPFC [1] ) Niedrigtemperatur- is a fuel cell .
Geschichte
Das PEMFC gewann den Beginn der 1960er Jahre bei General Electric entwickelt. Willard Thomas Grubb entwickelte in Schenectady ( New York ) Ionenaustauschermembran Eine auf der Basis von sulfoniertem Polystyrol , auf Welcher Leonard Niedrach drei Jahre später Platin abscheiden Könnte. [2] In der Literatur englischsprachigen Wird of this Brennstoffzellentyp Ehrenberg zu der Beiden GE-Scientists Auch Grubb-Niedrach Brennstoffzelle genannt. Mitte der 1960er Jahre Kamm Polymerelektrolytbrennstoffzelle im Amerikanischen Raumflugprojekt Zwillinge das erste Mal zum Einsatz. [3]
Prinzip
Unter Verwendung von Wasserstoff (H 2 ) und Sauerstoff (O 2 ) wurde chemische Energie gewonnen . Der elektrische Wirkungsgrad beträgt Sie nach Arbeitspunkt ca. 60 Prozent. Wenn Elektrolyt sollte normalerweise weise dabei Eine feste Polymermembran , beispielsweise aus Nafion . Die im Bereich von 60 Liegt Betriebstemperatur bis 120 ° C, Wobei für den kontinuierlichen Betrieb Temperaturen bevorzugt Zwischen 60 und 85 ° C gewählt wurden. Das Membran ist beidseitig mit Einer katalytischen Aktiven Elektrode beschichtet, Mischung Aus einer Kohlenstoff (Russ ) und Ein Katalysator , Häufig Platin oder ein gemisch aus Platin und Ruthenium (PtRu-Elektroden), Platin und Nickel (PtNi-Elektroden), und Platin oder Kobalt (PtCo-Elektroden). H 2 -Moleküle dissoziieren auf der Seite und Anode waren unter Abgabe von Zwei Electron zu zwei Sie Protone oxidiert . Diese Protonen diffundiert durch die Membran. Auf der Kathodenseite wird Sauerstoff durch die Electonen, die in einem äußeren Stromkreis arbeiten, ausgeführt; mit dem durch den Elektrolyten transportierten Protonen entstehen. Diejenigen, die mit elektrischer Energie arbeiteten, wurden Anode und Kathode des elektrischen Verbrauchers zugeschaltet.
Reaktionsgleichungen
| Gleichung | |
|---|---|
| Anode | {\ displaystyle \ mathrm {2 \ H_ {2} \ bis 4 \ H ^ {+} + 4 \ e ^ {-}}} Oxidations / Elektronenabgabe |
| Kathode | {\ displaystyle \ mathrm {O_ {2} +4 \ H ^ {+} + 4 \ e ^ {-} \ bis 2 \ H_ {2} O}} Reduktion / Elektronenaufnahme |
| Gesamtreaktion | {\ displaystyle \ mathrm {2 \ H_ {2} + O_ {2} \ bis 2 \ H_ {2} O}} Redoxreaktion / Zell-Reaktion |
Der innere Ladungstransport erfolgt mit Oxonium- Ionen. Auf der Anodenseite benötigt, dass die Reaktion Wasser, diese auf der Kathodenseite abgibt. Um den Wasserbedarf auf der Anodenseite zu erfüllen, ist ein aufwändiges Wassermanagement erforderlich. Realisiert wird dies unter Anderem durch Rückdiffusion durch die Membrane und Befeuchtung der Edukte .
Anwendungsbereiche
Wenn Hauptanwendungsgebiete mobile Anwendungen ohne Sind nutzung der Abwärme, ETWA in Brennstoffzellenfahrzeugen , U-Booten , Raumschiffen oder Akkumulator ladegeräten für unterwegs zu Sehen. Auch stationäre Kleinanlagen mit einem Abwärmeniveau um 60 bis 80 ° C sind möglich. Um Eine technisch relevant elektrische Spannung zu erzielen, waren Mehrere Zellen (Zehn bis Mehrere hundert) zu Einem so genannten Stapeln (dt. Stack) in Reihe Geschaltet hint rein andere. [4] Die Temperaturregelung des Stacks erfolgt in einem eigenen komplementären Kühlkreislauf.
Es ist also ein wärmegeführter, stationärer Einsatz, zB in Wohnhäusern, bei Einem Nutzwärmeniveau von 80 ° C Möglich, Wobei in ETWA gleiches Verhaltnis Wärme und elektrischer Strom aus Biowasserstoff oder Wasserstoff, der nach DM Kvaerner-Verfahren aus Erdgas Erzeugt Wird, produziert wurden. Dies ist die Form der Kraft-Wärme-Kopplung , gleichzeitig ist ein 90 Jahre alter Gesamtwirkungsgrad realistisch. [4]
CO-Toleranz
Da Reaktionen bei niedrigeren Temperaturen Relativ (60 bis 120 ° C) ablaufen, welche Toleranz Stellt Gegen die Kohlenstoffmonoxid (CO) ein Problem dar. Die konzentration der CO- Cathodes -seitig zugeführten Sowie das Luft auf der Seite Anodes-zugeführte wasserstoffreiche Gasgemisch sollte bei platin Elektroden Deutlich unter 10 ppm und bei Platin-Ruthenium-Elektroden Deutlich unter 30 ppm liegen. Andernfalls wurde das katalytisch aktive Zentrum der Membranoberfläche durch CO-Moleküle blockiert. Die Sauerstoff-Molekül- bzw. Wasserstoff-Moleküle können nicht mehr adsorbieren und diese Reaktion bricht in kürzerer Zeit zusammen. Durch das Spülen der Brennstoffzelle mit reinem Inertgasoder reiner Wasserstoff kann als CO wiederverwendet werden. CO auch innerhalb der Toleranzbereiche zu einer beschleunigten, irreversiblen Veränderung der Membran; Die Luftmengen (≤ 1 Vol .-%) wurden aufgehoben. Im Herbst Herbst, Betriebszeiten von mehr als 15.000 h nachweisbar. [5]
Soul of action Für den Zweck der Arbeit, auch, dass CO-Toleranz der Membranen zu erhöhen. Eine andere Person ist Lösungsansatz ist die Entwicklung von Hochtemperatur-PEMFCs, die bei 200 ° C arbeiten. Bedding durch die deutlich höhere Temperatur, die CO-Toleranz bis zu 1%. Problematisch ist derzeit noch ein gegebenes Ionomer für diesen Temperaturbereich zu finden. Bei Nafion klettert der elektrische Widerstand zu stark und es gibt seine Eigenschaften Protonen leiten zu können. Einsetzbar Sind beispielsweise Polyimide , die Polybenzimidazol (PBI), binden Phosphorsäure als Elektrolyt bindet. Bei Einem Wassergehalt im zu Hohen Brenngas Kann der aus der Membran Phosphorsäureaustrag waren problematisch.
Schwefelgehalt
Schwefel- und Schwefelverbindungen (in diesem Fall Schwefelwasserstoff ) sind starke Katalysatorgifte . Es wird ein zweiter Besuch bei Chemicalsption über die katalytische Membranbankoberfläche geben. Es folgt eine nicht umkehrbare Zerstörung. Die KONZENTRATION of this Organischen Verbindungen im Gasstrom Durcheinander im Unteren zweistelligen ppb -Bereich liegen, um zu Einer solche Schädigung geschrieben.
Vor- und Nachteile gegenüber anderen Brennstoffzellen
Vorteile einer Niedertemperatur-PEM (Nafion-Basis) sind:
- Fester Electrolyte, das heißt, es können keine aggressiven Flüssigkeiten auslaufen.
- Die Zelle weist eine hohe Stromdichte auf und
- Hat ein gutes Verhalten.
- Auf der Kathodenseite könnte Luft verwöhnt werden. Es ist kein Reingas (Sauerstoff) erforderlich.
- Der Elektrolyt ist CO 2 -beständig
Nachteile sind:
- Der Zelltyp ist sehr positiv gegen Verschmutzungen durch CO, NH 3 und Schwefelverbindungen im Brenngas.
- Das Wassermanagement ist sehr aufwändig.
- Der Anlagenwirkungsgrad ist eher niedrig.
Einzelstunden
- Hochsprung↑ Wissenschaft-Online-Lexika: Beitrag zu Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle in Lexikon der Physik , abgespalten am 5. Januar 2009
- Hochspringen↑ Grubb, Willard Thomas. Bei: Enzyklopädie der Erde , abgeraufen am 7. August 2012
- Hochspringen↑ Geschichte. Bei: FuelCellToday , abgerufen am 7. August 2012
- ↑ Hochspringen nach:a b Dominic A. Notter, Katerina Kouravelou, Theodoros Karachalios, Maria K. Daletou und Nara Tudela Haberlandad: Ökobilanz von PEM-FC-Anwendungen: Elektromobilität und μ-CHP . In: Energie- und Umweltwissenschaften 8, (2015), 1969-1985, doi : 10.1039 / C5EE01082A .
- Hochspringen↑ J. Scholta, J. Pawlik, N. Chmielewski, L. Jörissen: Ergebnisse des Langlebigkeitstests für Reformat-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenstapel . In: Zeitschrift für Energiequellen 196, (2011), 5264-5271, doi : 10.1016 / j.jpowsour.2010.08.113 .
