Was sind die verschiedenen Arten von Brennstoffzellen?
Brennstoffzellen wandeln chemische Energie in Elektrizität um. Sie ähneln in ihrer Funktion Batterien, mit der Ausnahme, dass die chemischen Reaktanten in einer Brennstoffzelle nachgefüllt werden können, wenn sie verbraucht sind. Eine Brennstoffzelle wird typischerweise durch die Art des verwendeten Elektrolyten, seine Betriebstemperatur und seine möglichen Anwendungen charakterisiert. Die meisten Forschungsarbeiten an Brennstoffzellen konzentrierten sich auf Automobilanwendungen, sie werden jedoch auch für die Weltraumforschung erforscht.
Ein wichtiges Merkmal einer Brennstoffzelle ist die Art des verwendeten Elektrolyten. Ein Elektrolyt in einer Brennstoffzelle verbindet den Brennstoff und das Oxidationsmittel elektrisch und hält sie physikalisch getrennt. In der Brennstoffzellentechnologie verwendete Elektrolyte können entweder flüssig oder fest sein, was zu unterschiedlichen Designvorteilen und -herausforderungen führt.
Eine hilfreiche Methode zur Klassifizierung von Brennstoffzellen ist die Arbeitstemperatur. Viele Konstruktionen, wie die Festoxid-Brennstoffzelle, erfordern hohe Betriebstemperaturen, um eine hohe Energieeffizienz zu erzielen. Reaktionen bei diesen hohen Temperaturen können häufig mehr interne chemische Energie in Elektrizität umwandeln, anstatt viel Energie durch Abwärme zu verlieren. Andererseits sind Brennstoffzellen mit niedrigeren Betriebstemperaturen typischerweise tragbarer. Brennstoffzellen mit Polymeraustauschelementen (PEMFCs) werden auf ihre vielversprechende Anwendung im Transportwesen untersucht.
PEMFCs können einen relativ hohen Wirkungsgrad erzielen, wenn sie bei einer Temperatur von weniger als 212 Grad Fahrenheit (100 Grad Celsius) betrieben werden. Eine derart niedrige Betriebstemperatur ermöglicht ein schnelles Starten der Brennstoffzelle. Dieser Brennstoffzellentyp verwendet auch eine feste Kunststofffolie als Elektrolyt, wodurch das Versiegeln der Brennstoffzelle einfacher ist als bei anderen Elektrolyttypen. Diese Kombination von Merkmalen hat die PEMFC zu einem idealen Kandidaten für den Ersatz von Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren gemacht.
Einige haben spekuliert, dass Brennstoffzellen schließlich benzinbasierte Transportsysteme komplett ersetzen werden. Eine auf Wasserstoff und nicht auf Öl basierende Wirtschaft könnte mehrere entscheidende Vorteile haben. Erstens wären die Fahrzeugemissionen auf Wasserdampf begrenzt, was keine offensichtliche Umweltgefährdung darstellt. Zweitens können sich mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge möglicherweise als leistungsstärker je Masseeinheit des Kraftstoffs erweisen. Schließlich könnte die Bereitstellung von Wasserstoff im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen, die nicht erneuerbar sind, möglicherweise eine erneuerbare Ressource sein.
Alkalische Brennstoffzellen sind der Typ, der in der Weltraumforschung verwendet wird, einschließlich der Apollo-Raumflüge zum Mond. Sie verbinden Wasserstoff und Sauerstoff zur Stromerzeugung und setzen dabei Wärme und Wasser frei. Bei diesem Brennstoffzellentyp wird eine wässrige alkalische Lösung als Elektrolyt verwendet. Alkalische Brennstoffzellen erfreuen sich einer hohen technologischen Entwicklung und können einen elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 60% aufweisen. Die Kosten dieser Brennstoffzellen haben jedoch ihre weitverbreitete Anwendung in terrestrischen Anwendungen verhindert.