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Brennstoffzellen sind Geräte, die chemische Energie in elektrische Energie umwandeln und häufig als saubere, alternative Energiequelle verwendet werden.
Obwohl Benzin in den USA nach wie vor die wichtigste Kraftstoffquelle für Fahrzeuge ist, wurden in den letzten Jahrzehnten alternative Kraftstoffquellen erforscht, um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und sauberere Energiequellen zu erzeugen.
Wasserstoff-Brennstoffzellen verwenden sauberen Wasserstoff als Brennstoff und produzieren nur Wasser als Abfall. Obwohl sie oft mit Batterien verglichen werden, ähneln Brennstoffzellen eher Automotoren, da sie keine Energie speichern können und eine konstante Kraftstoffquelle benötigen, um Energie zu erzeugen. Infolgedessen wird für den konstanten Betrieb der Brennstoffzelle eine erhebliche Menge an Wasserstoff benötigt.
In diesem Video wird die Elektrolyse von Wasser im Labormaßstab zur Herstellung von Wasserstoffgas vorgestellt, gefolgt vom Betrieb einer kleinen Wasserstoff-Brennstoffzelle.
Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum. Auf der Erde kommt es vor allem in Verbindungen mit anderen Elementen vor. Um elementaren Wasserstoff als Brennstoff verwenden zu können, muss er daher aus anderen Verbindungen raffiniert werden. Das meiste Wasserstoffgas wird durch das energieintensive Methanreformierungsverfahren hergestellt, bei dem Wasserstoff aus Methangas isoliert wird. Dieser Prozess ist jedoch extrem energieintensiv, verbraucht fossile Brennstoffe und verursacht erhebliche Mengen an Abgasen. Dies trägt zum Klimawandel bei, vergiftet die Brennstoffzelle und verringert die Funktionsfähigkeit.
Die Elektrolyse von Wasser ist eine alternative Methode zur Herstellung von sauberem Wasserstoffgas, also Wasserstoff, der frei von Schadstoffgasen ist. Bei der Elektrolyse wird Wasser mit elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoffgas gespalten. Dazu wird eine elektrische Energiequelle mit zwei Elektroden verbunden, die aus einem inerten Metall bestehen. Die Elektroden werden dann in das Wasser gesteckt und mit elektrischem Strom versorgt. Für die Elektrolyse in kleinem Maßstab kann eine Batterie oder ein kleines Solarpanel verwendet werden, um genügend Strom zu erzeugen, um Wasser zu spalten. In großtechnischen Anwendungen sind jedoch Quellen mit höherer Energiedichte erforderlich.
Die Elektrolysereaktion ist eine Oxidations-Reduktions- oder Redoxreaktion. Es werden doppelt so viele Wasserstoffmoleküle wie Sauerstoffmoleküle produziert, je nach der ausgeglichenen chemischen Reaktion. Das bei dieser elektrochemischen Reaktion erzeugte Wasserstoffgas kann gesammelt und gespeichert werden, um es als Brennstoff in einer Brennstoffzelle zu verwenden. Eine Protonenaustauschmembran (PEM)-Brennstoffzelle wandelt chemische Energie oder Wasserstoffgas in elektrische Energie um. Wie bei der Elektrolyse kommt auch bei der PEM-Brennstoffzelle eine Redoxreaktion zum Einsatz. Wasserstoffgas wird zur Anode der Brennstoffzelleneinheit transportiert, wo es oxidiert wird, um Protonen und Elektronen zu bilden.
Die positiv geladenen Protonen wandern über die Protonenaustauschmembran zur Kathode. Die negativ geladenen Elektronen sind jedoch nicht in der Lage, die Membran zu durchdringen. Die Elektronen wandern durch einen externen Stromkreis und liefern elektrischen Strom. Sauerstoffgas wird der Kathode der Brennstoffzellenbaugruppe zugeführt, wo die Reduktionsreaktion stattfindet. Dort reagiert der Sauerstoff mit den Protonen und Elektronen, die an der Anode erzeugt wurden, zu Wasser. Das Wasser wird dann als Abfall aus der Brennstoffzelle entfernt.
Nachdem nun die Grundlagen des Brennstoffzellenbetriebs erläutert wurden, schauen wir uns diesen Prozess im Labor an.
Um den Vorgang zu starten, richten Sie den Elektrolyseur und die beiden Gassammelzylinder ein. Füllen Sie die äußeren Behälter mit destilliertem Wasser bis zur Nullmarkierung. Stellen Sie die Gassammelbehälter in die äußeren Behälter.
Verbinden Sie anschließend den Elektrolyseur mit einem Schlauch mit den Gassammelzylindern. Verbinden Sie ein Solarpanel über Überbrückungskabel mit dem Elektrolyseur. Platzieren Sie das Solarmodul in direktem Sonnenlicht, um die Produktion von Wasserstoffgas zu betreiben. Wenn nicht genügend natürliches Licht vorhanden ist, simulieren Sie das Sonnenlicht mit einer Lampe.
Wasserstoff- und Sauerstoffgas beginnen mit dem Eintritt in die inneren Gassammelzylinder. Überwachen Sie das Volumen jedes erzeugten Gases in Abständen von 30 s mit Hilfe der auf dem äußeren Zylinder markierten Skala.
Wenn der innere Zylinder vollständig mit Wasserstoffgas gefüllt ist, treten Blasen aus dem inneren Zylinder aus und erreichen schließlich die Oberfläche. Trennen Sie zu diesem Zeitpunkt das Solarpanel vom Elektrolyseur und schließen Sie den Cincher an der Wasserstoffgasleitung, damit kein Wasserstoffgas entweicht. Beachten Sie, dass doppelt so viel Wasserstoffgas wie Sauerstoffgas produziert wird, wie in der ausgeglichenen chemischen Gleichung vorhergesagt.
Um den Betrieb der Brennstoffzelle zu starten, stellen Sie die Brennstoffzelle auf die Tischplatte. Trennen Sie den Wasserstoffgasschlauch vom Elektrolyseur und verbinden Sie ihn mit der Brennstoffzelle. Der benötigte Sauerstoff wird aus der Luft gesammelt.
Schließen Sie die Brennstoffzelle an einen Lüfter oder eine LED-Leuchte an, um die Stromerzeugung zu visualisieren. Lösen Sie den Gurt an der Wasserstoffgasleitung, um den Gasfluss zur Brennstoffzelle zu ermöglichen. Wenn sich der Lüfter nicht zu drehen beginnt, drücken Sie das Spülventil an der Brennstoffzelle, um den Gasfluss zu fördern.
Der Lüfter dreht sich weiter, bis das gesamte Wasserstoffgas verbraucht ist.
Es gibt viele verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die als saubere Energielösungen entwickelt werden. Hier stellen wir drei aufstrebende Technologien vor.
Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) sind eine andere Art von Brennstoffzellen, die ähnlich wie eine PEM-Brennstoffzelle funktionieren, außer dass die durchlässige Membran durch ein festes Oxid ersetzt wird. Wie bei PEM-Brennstoffzellen nimmt die Funktionsfähigkeit von SOFC ab, wenn sie Schwefel- und Kohlenstoffschadstoffen ausgesetzt sind. In diesem Beispiel wurden SOFC-Elektroden hergestellt und dann typischen Betriebsumgebungen bei hohen Temperaturen in Gegenwart von schwefel- und kohlenstoffkontaminiertem Kraftstoff ausgesetzt.
Die Oberflächenvergiftung der Elektroden wurde mittels Elektrochemie und Raman-Spektroskopie untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass der Strom bei einer Schwefelvergiftung abnahm, aber dass eine Genesung möglich war. Rasterkraftmikroskopische Untersuchungen klärten die Morphologie von Kohlenstoffablagerungen auf, was zu einer weiteren Entwicklung führen könnte, um diese Vergiftung zu verhindern.
Eine mikrobielle Brennstoffzelle gewinnt elektrischen Strom aus Bakterien, die in der Natur vorkommen. In diesem Beispiel wurden Bakterien aus Kläranlagen gezüchtet und zur Kultivierung von Biofilmen verwendet. Eine elektrochemische Zelle mit drei Elektroden wurde aufgebaut, um Bakterien auf der Oberfläche einer Elektrode zu kultivieren. Der Biofilm wurde in mehreren Wachstumszyklen elektrochemisch gezüchtet.
Der resultierende Biofilm wurde dann elektrochemisch auf extrazellulären Elektronentransfer getestet. Die elektrochemischen Ergebnisse wurden dann genutzt, um den Elektronentransfer und die mögliche Anwendung des Biofilms auf mikrobielle Brennstoffzellen zu verstehen.
Die Elektrolyse benötigt Energie, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Dieser Prozess ist im Großen energieintensiv, kann aber im Kleinen mit einer Solarzelle betrieben werden.
Eine alternative Energiequelle für die Elektrolyse ist die Windkraft. Im Labor kann die Elektrolyse mit einer Windkraftanlage im Labormaßstab betrieben werden. Bei dieser Demonstration wurde die Windkraftanlage mit simuliertem Wind betrieben, der von einem Tischventilator erzeugt wurde.
Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die PEM-Brennstoffzelle gesehen. Sie sollten nun die grundsätzliche Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle und die Erzeugung von Wasserstoffgas durch Elektrolyse verstehen. Danke fürs Zuschauen!
