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Was ist eine PEM-Brennstoffzelle?
Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) ist eine Art von Brennstoffzelle, die Wasserstoff als Brennstoff und Luftsauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Es wandelt die chemische Energie des Brennstoffs Wasserstoff durch eine chemische Reaktion in Elektrizität um, wobei als einziges Nebenprodukt Wasser übrig bleibt. Eine PEM-Brennstoffzelle ist bekannt für ihren hohen Wirkungsgrad, ihre schnelle Reaktionszeit und ihre Fähigkeit, bei relativ niedrigen Temperaturen zu arbeiten.
Wie funktioniert eine PEM Brennstoffzelle?
Die grundlegende Funktionsweise einer Wasserstoff-PEM-Brennstoffzelle lässt sich in folgenden Schritten beschreiben:
- Wasserstoff wird der Anode (negative Elektrode) der Brennstoffzelle zugeführt.
- An der Anode wird das Wasserstoffmolekül in seine einzelnen Protonen und Elektronen zerlegt. Die Protonen gelangen durch die Protonenaustauschmembran (PEM) zur Kathode (positive Elektrode), während die Elektronen durch einen externen Stromkreis fließen und einen elektrischen Strom erzeugen.
- An der Kathode verbinden sich die Protonen, Elektronen und der Sauerstoff aus der Luft zu Wassermolekülen.
- Durch die chemische Reaktion an der Anode und der Kathode wird Strom erzeugt, der zum Betrieb elektrischer Geräte verwendet oder in einer Batterie gespeichert werden kann.
Die chemische Gesamtreaktion in einer PEM-Brennstoffzelle kann wie folgt dargestellt werden:
Wasserstoff + Sauerstoff → Wasser + Elektrizität
Wasserstoff PEM Brennstoffzellenkomponenten
Zu den Hauptkomponenten einer PEM-Brennstoffzelle gehören:
- Protonenaustauschmembran (PEM): Eine dünne, poröse Polymermembran, die Protonen durchlässt, während sie Elektronen blockiert.
- Anode und Kathode: Die Elektroden, an denen die chemischen Reaktionen ablaufen.
- Elektrolyt: Ein Stoff, der Ionen, wie Protonen oder Elektronen, durch eine Lösung oder einen Festkörper leitet.
- Gasdiffusionsschichten (GDLs): Schichten aus porösem Material, die die Gase (Wasserstoff und Sauerstoff) auf die Elektroden verteilen und dazu beitragen, das bei der Reaktion entstehende Wasser zu entfernen.
- Bipolarplatten: Platten, die die einzelnen Brennstoffzellen trennen und einen Weg für die Gase und den elektrischen Strom bieten.
- Stromsammler: Leitfähige Materialien, die den elektrischen Strom aus der Brennstoffzelle sammeln und verteilen.
Entwurf eines PEM-Brennstoffzellenstapels
Ein Brennstoffzellenstapel ist eine Gruppe von Brennstoffzellen, die in Reihe oder parallel geschaltet sind, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Um einen PEM-Brennstoffzellenstapel aus einzelnen PEM-Brennstoffzellen zu konstruieren, können die folgenden Schritte befolgt werden:
- Bestimmen Sie die gewünschte Leistungsabgabe und die Betriebsbedingungen des PEMFC-Stacks. Dies wird dazu beitragen, die Anzahl und Größe der benötigten Brennstoffzellen sowie die Auslegung der anderen Komponenten zu bestimmen.
- Beschaffen Sie die erforderlichen Materialien und Geräte, einschließlich Brennstoffzellen, Bipolarplatten, Stromabnehmer, PEM-Elektrolyseur und alle anderen erforderlichen Komponenten.
- Bauen Sie die Brennstoffzellen zu einem Stapel zusammen, indem Sie abwechselnd Schichten von Brennstoffzellen mit Bipolarplatten verwenden.
- Schließen Sie die Stromabnehmer an die Brennstoffzellen an und achten Sie dabei auf die richtige Polarität.
- Schließen Sie den Brennstoffzellenstapel an die erforderlichen Strom- und Gasversorgungsleitungen an, einschließlich der Wasserstoff- und Sauerstoff-(Luft-)Zufuhr.
- Testen und optimieren Sie den Brennstoffzellenstapel, um sicherzustellen, dass er ordnungsgemäß funktioniert und die gewünschten Leistungskriterien erfüllt. Dazu müssen die Betriebsbedingungen, die Gasdurchflussmengen und andere Faktoren angepasst werden.
Es ist wichtig, die Konstruktion des Brennstoffzellenstapels sorgfältig zu prüfen, um den gewünschten Wirkungsgrad der PEM-Brennstoffzelle, die Leistungsabgabe und andere Leistungskriterien zu erreichen. Eine ordnungsgemäße Konstruktion und Prüfung kann dazu beitragen, dass der Brennstoffzellenstapel über seine gesamte Lebensdauer hinweg effektiv und zuverlässig funktioniert.
Beispiel: PEM-Brennstoffzellenstapel
Entwurf des Systems
Ein PEM-Brennstoffzellensystem besteht aus einem Brennstoffzellenstapel sowie zusätzlichen Komponenten und Geräten, die für die Versorgung mit Brennstoff und Sauerstoff, die Regelung der Betriebsbedingungen und die Steuerung der elektrischen Leistung erforderlich sind. In der folgenden Tabelle sind die notwendigen Bausteine für ein PEM-Brennstoffzellensystem zur Stromerzeugung und ein PEM-Elektrolysesystem zur Wasserstofferzeugung aufgeführt:
| Komponenten eines PEM-Brennstoffzellen-Systems (Elektrizitätserzeugung) | Komponenten einer PEM-Elektrolyse Systems (Wasserstofferzeugung) |
| Brennstoffzellenstapel | PEM-Elektrolyseur-Stapel |
| Versorgung mit Wasserstoffgas | Elektrizitätsversorgung |
| Versorgung mit Sauerstoff (Luft) | Wasserversorgung |
| Wärmetauscher | Wärmetauscher |
| Gasbefeuchter | Gasbefeuchter |
| Gasmischer | Gasmischer |
| Wechselrichter | Elektrolyse-Controller |
| Batterie | Wasserstoffspeicherung |
Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle
Die Standardausführung der PEM-Brennstoffzelle wird als “LT-PEMFC” bezeichnet, was für “Low Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cell” steht. Der Betrieb bei niedrigen Temperaturen ist zwar wünschenswert, erfordert aber einen hohen Reinheitsgrad des Wasserstofftreibstoffs von 99,9 %, so dass eine aufwendige Vorrichtung zur Reinigung des Wasserstofftreibstoffs eine Voraussetzung für die Erzielung dieser wünschenswerten Betriebseigenschaften ist.
Dies hat in jüngster Zeit zur Entwicklung von HT-PEM-Brennstoffzellen, d. h. Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen, geführt, die eine größere Widerstandsfähigkeit gegenüber Wasserstoffverunreinigungen aufweisen. Der Hauptunterschied zur LT-PEM-Technologie besteht in der Art der verwendeten Membran, die aus einem säure- und temperaturbeständigen Polymer besteht. Im Allgemeinen wird Polybenzimidazol (PBI) verwendet. Dieses hat die Fähigkeit, Phosphorsäure zu absorbieren, die als Elektrolyt verwendet wird. Die HT-PEM-Brennstoffzellentechnologie ähnelt dem Design der Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), wobei der Hauptunterschied in der Art der verwendeten Membran besteht.
Dadurch kann die HT-PEM-Brennstoffzelle mit Reformatgas mit einer Wasserstoffkonzentration von etwa 50 bis 75 % betrieben werden. Darüber hinaus ist die HT-PEM-Technologie weniger empfindlich gegenüber Kohlenmonoxidkonzentrationen und kann mit einem CO-Gehalt im Reformatgas von bis zu 3 Vol-% arbeiten.
Anwendungsfälle
PEM-Wasserstoff-Brennstoffzellen bieten ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten:
- Tragbare Stromerzeugung: Eine PEM-Brennstoffzelle kann zur Stromversorgung tragbarer elektronischer Geräte wie Laptops und Mobiltelefone verwendet werden.
- Verkehrswesen: Wasserstoff-PEM-Brennstoffzellen können zum Antrieb von Fahrzeugen wie Autos, Bussen, Zügen und Booten verwendet werden.
- Reservestrom: PEM-Brennstoffzellen können als Reservestromquelle für Haushalte, Unternehmen und andere Infrastrukturen genutzt werden.
- Strom aus der Ferne: Die PEM-Brennstoffzelle eignet sich für die Stromversorgung an abgelegenen Standorten, die nicht an das Stromnetz angeschlossen sind.
Leistungskriterien für PEM-Brennstoffzellen
Bei der Bewertung der Leistung einer PEM-Brennstoffzelle sind vier wichtige Leistungskriterien zu berücksichtigen: Leistungsdichte, Wirkungsgrad, Reaktionszeit und Lebensdauer.
- Leistungsdichte: Die Menge an Strom, die pro Flächeneinheit der Brennstoffzelle erzeugt werden kann. Höhere Leistungsdichte bedeutet, dass die Brennstoffzelle mehr Leistung bei geringerer Größe erzeugen kann.
- Wirkungsgrad: Der Prozentsatz der chemischen Energie des Brennstoffs, der in elektrische Energie umgewandelt wird. Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet, dass weniger Energie als Wärme oder andere Nebenprodukte verloren geht. Der Wirkungsgrad des PEM-Elektrolyseurs ist in dieser Hinsicht sehr wichtig.
- Reaktionszeit: Die Zeit, die die Brennstoffzelle benötigt, um nach ihrer Aktivierung ihre volle Leistung zu erreichen. Eine schnellere Reaktionszeit bedeutet, dass die Brennstoffzelle schnell auf Änderungen der Nachfrage reagieren kann.
- Langlebigkeit: Die Lebensdauer der Brennstoffzelle und ihre Fähigkeit, ihre Leistung über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten.
Wie lässt sich die Degradation von PEM-Brennstoffzellen verhindern?
Es gibt mehrere technische Anforderungen, die berücksichtigt werden müssen, um Degradation zu verhindern und einen hohen Wirkungsgrad in einer PEM-Brennstoffzelle zu erhalten. Diese Faktoren sind im Folgenden aufgeführt.
- Betriebsbedingungen: PEM-Brennstoffzellen funktionieren am besten innerhalb eines bestimmten Temperatur- und Feuchtigkeitsbereichs. Es ist wichtig, diese Bedingungen aufrechtzuerhalten, um eine Verschlechterung zu verhindern und die Effizienz zu erhalten.
- Reinheit des Gases: Eine PEM-Wasserstoff-Brennstoffzelle benötigt hochreines Wasserstoffgas, um effektiv zu funktionieren. Verunreinigungen im Wasserstoffgas können zu Degradation und geringerer Effizienz führen.
- Wassermanagement: Bei einer PEM-Brennstoffzelle fällt Wasser als Nebenprodukt der chemischen Reaktion an, und ein angemessenes Wassermanagement ist notwendig, um Degradation zu verhindern und die Effizienz zu erhalten. Dazu gehört, dass die Brennstoffzelle ausreichend mit Wasser versorgt wird und überschüssiges Wasser aus dem System entfernt wird.
- Qualität der Membrane: Die Protonenaustauschmembran (PEM) ist eine kritische Komponente der Brennstoffzelle, und es ist wichtig, hochwertige Materialien zu verwenden und eine ordnungsgemäße Handhabung und Lagerung zu gewährleisten, um eine Verschlechterung zu verhindern.
Letzte Aktualisierung: 15.02.2023