Was ist das Arbeitsprinzip von Brennstoffzellen und Wasserstofffahrzeugen?

Die sogenannte Wasserstoff-Energiequelle bedeutet nicht, dass es auf der Erde eine große Menge Wasserstoff gibt, der zur Nutzung als Energiequelle „genutzt“ werden kann. Stattdessen kann Wasser durch Licht zersetzt werden, um Wasserstoff anstelle von Öl und Strom zu erzeugen.

Wasserstoff hat als Energiequelle viele Vorteile. Wasserstoff kann durch Photolyse erzeugt werden, und die Wasserreserven sind groß und relativ gering. Wasserstoffbrennstoff entsteht nach der Verbrennung, die eine harmlose und sehr saubere Energiequelle darstellt. Wasserstoff ist geringer als der Leistungsverlust bei Speicherung und Transport, und die Verbrennungswärme von Wasserstoff ist hoch. Die durch Verbrennen von 1 Kilogramm Wasserstoff erzeugte Wärme entspricht dem Heizwert von 3 Kilogramm Benzin oder 4,5 Kilogramm Koks. In Anwendungen waren jedoch die Speicherung und der Transport von Wasserstoff und die Verwendung von Sonnenenergie zur Zersetzung von Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff der Engpass, der die Entwicklung von Wasserstoff-Energie einschränkte.

Sprechen wir über Brennstoffzellen. Es ist ein Energieumwandlungsgerät, das chemische Energie im Kraftstoff direkt in elektrische Energie umwandelt. Von außen gibt es positive und negative Elektroden und Elektrolyte wie eine Batterie, aber im Wesentlichen kann sie keinen "Strom speichern", sondern ein kleines "Kraftwerk". Es gibt viele Arten von Brennstoffzellen. Nach Jahren der Erforschung ist die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle die vielversprechendste für Automobile. Sein Arbeitsprinzip lautet: Durch das Einleiten von Wasserstoff an die negative Elektrode werden durch die Einwirkung des Katalysators (Platin) zwei Elektronen im Wasserstoffatom getrennt. Diese beiden Elektronen erzeugen unter Anziehung der positiven Elektrode Strom durch einen externen Stromkreis. Wasserstoffionen (Protonen), die Elektronen verlieren, können die Protonenaustauschmembran (den Festelektrolyten) passieren und sich mit den Sauerstoffatomen und Elektronen an der positiven Elektrode zu Wasser rekombinieren. Da Sauerstoff aus der Luft gewonnen werden kann, kann die Brennstoffzelle kontinuierlich elektrische Energie liefern, solange der negativen Elektrode kontinuierlich Wasserstoff zugeführt und Wasser (Dampf) rechtzeitig abgeführt wird.

Derzeit werden hauptsächlich Wasserstoffbrennstoffzellen mit Wasserstoff betrieben. Das Unterscheidungsmerkmal des Elektroautos ist, dass es keine sperrige Batterieladung hat und dass der Kilometerstand nicht die Kraft hat, das Auto zu fahren. Daher kann gesagt werden, dass Wasserstoffbrennstoffzellen eine ausgezeichnete treibende Kraft sind. Ein Auto, das mit dieser Art von Kraft betrieben wird, wird als umweltfreundliches, wasserstoffbetriebenes Auto bezeichnet.

Die Brennstoffzelle ist ein Stromerzeugungsgerät, das die chemische Energie von Brennstoff und Elektrolyt direkt in elektrische Energie umwandelt. Es ist auch das vierte Stromerzeugungsgerät nach Wärmekraft, Wasserkraft und Kernkraft. Es ist ein High-Tech-Entwicklungsfeld, das heute von den Industrieländern hoch geschätzt wird.

Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle verwendet Wasserstoff als Brennstoff als Reduktionsmittel und Sauerstoff als Oxidationsmittel

Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle

Die Batterie, die durch die Verbrennungsreaktion des Kraftstoffs chemische Energie in elektrische Energie umwandelt, arbeitet genauso wie die Primärbatterie.

Wenn die Sauerstoff-Brennstoffzelle arbeitet, wird der Wasserstoffelektrode Wasserstoff zugeführt, während der Sauerstoffelektrode Sauerstoff zugeführt wird. Wasserstoff und Sauerstoff bilden durch den Elektrolyten unter Einwirkung eines Katalysators auf die Elektrode Wasser. Zu diesem Zeitpunkt befinden sich überschüssige Elektronen an der Wasserstoffelektrode und sind negativ geladen, und die Sauerstoffelektrode ist aufgrund fehlender Elektronen positiv geladen. Dieser verbrennungsähnliche Vorgang kann nach dem Einschalten des Stromkreises kontinuierlich durchgeführt werden.

Während des Betriebs wird der negativen Elektrode Kraftstoff (Wasserstoff) und der positiven Elektrode Oxidationsmittel (Sauerstoff) zugeführt. Wasserstoff wird durch die Einwirkung eines Katalysators auf die negative Elektrode in positive Ionen H + und Elektronen e- zerlegt. Wasserstoffionen treten in den Elektrolyten ein und Elektronen bewegen sich entlang des externen Stromkreises zur positiven Elektrode. Die elektrische Last ist an einen externen Stromkreis angeschlossen. Auf der positiven Elektrode absorbieren Sauerstoff und die Wasserstoffionen im Elektrolyten die Elektronen, die die positive Elektrode erreichen, um Wasser zu bilden. Dies ist die Umkehrung der elektrolytischen Reaktion von Wasser.

Eine Sauerstoff-Brennstoffzelle benötigt keine Vorrichtung, die das gesamte Reduktionsmittel und Oxidationsmittel in der Batterie speichert.

Die Reaktanten der Sauerstoff-Brennstoffzelle befinden sich alle außerhalb der Batterie. Es ist nur ein Behälter für eine Reaktion.

Sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff können von außerhalb der Batterie zugeführt werden.

Eine Brennstoffzelle ist eine chemische Batterie, die die durch eine chemische Reaktion eines Stoffes freigesetzte Energie nutzt, um sie direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Unter diesem Gesichtspunkt ähnelt es anderen chemischen Batterien wie Zink-Mangan-Trockenbatterien, Bleibatterien und dergleichen. Es erfordert jedoch eine kontinuierliche Versorgung mit reaktiven Materialien - Brennstoff und Oxidationsmittel -, die nicht mit anderen üblichen chemischen Batterien identisch sind. Da es die durch die chemische Reaktion freigesetzte Energie in elektrische Energie umwandelt, spricht man von einer Brennstoffzelle.

Insbesondere ist eine Brennstoffzelle ein "Generator", der die Rückreaktion der Elektrolyse von Wasser nutzt. Es besteht aus einer positiven Elektrode, einer negativen Elektrode und einer Elektrolytplatte, die zwischen der positiven und der negativen Elektrode angeordnet ist. Anfänglich wurden Elektrolytplatten durch Infiltration von Elektrolyt in poröse Platten gebildet, und 2013 wurden sie entwickelt, um Festelektrolyte direkt zu verwenden.

Während des Betriebs wird der negativen Elektrode Kraftstoff (Wasserstoff) zugeführt, und der positiven Elektrode wird ein Oxidationsmittel (Luft, die als Sauerstoff wirkt) zugeführt. Wasserstoff wird in der negativen Elektrode in positive Ionen H + und Elektronen e- zerlegt. Wenn Wasserstoffionen in den Elektrolyten eintreten, bewegen sich die Elektronen entlang des externen Stromkreises zur positiven Elektrode. Die elektrische Last ist an einen externen Stromkreis angeschlossen. Auf der positiven Elektrode absorbieren Sauerstoff in der Luft und Wasserstoffionen im Elektrolyten Elektronen, die die positive Elektrode erreichen, um Wasser zu bilden. Dies ist die Umkehrung der elektrolytischen Reaktion von Wasser. In diesem Prozess kann Wasser wiederverwendet werden, und das Prinzip der Stromerzeugung ähnelt dem von Solarzellen, die nachts verwendet werden können.

Das Elektrodenmaterial der Brennstoffzelle ist im Allgemeinen eine inerte Elektrode und weist eine starke katalytische Aktivität auf, wie beispielsweise eine Platinelektrode, eine Aktivkohleelektrode und dergleichen.

Mit diesem Prinzip kann die Brennstoffzelle während des Betriebs kontinuierlich Elektrizität nach außen übertragen, so dass sie auch als "Generator" bezeichnet werden kann.

Im Allgemeinen erfordert das Schreiben der chemischen Reaktionsgleichung einer Brennstoffzelle ein hohes Maß an Aufmerksamkeit für die Säure und Alkalität des Elektrolyten. Die an den positiven und negativen Elektroden auftretende Elektrodenreaktion ist nicht isoliert und hängt häufig eng mit der Elektrolytlösung zusammen. Beispielsweise sind Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen sowohl in saurer als auch in basischer Form erhältlich:

Wenn die Elektrolytlösung eine Alkali- oder Salzlösung ist

Ein Brennstoffzellentyp verwendet Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel. Wasserstoff und Sauerstoff werden der Batterie extern über ein Rohr zur elektrochemischen Reaktion zugeführt und geben elektrische Energie ab. Die theoretische spezifische Energie einer Sauerstoff-Brennstoffzelle beträgt 3.600 Wattstunden / kg. Die Betriebsspannung der Einzelzelle beträgt im allgemeinen 0,8 bis 0,97 Volt. Um die für die Last erforderliche Betriebsspannung zu erreichen, werden häufig Dutzende einzelner Zellen in Reihe geschaltet, um einen Akku zu bilden.

Um den normalen Betrieb der Batterie aufrechtzuerhalten, müssen Wasserstoff und Sauerstoff kontinuierlich zugeführt werden, und das Reaktionsprodukt (Wasser) und die Abwärme sollten rechtzeitig entfernt werden. Der Akku besteht aus folgenden Teilen: 1 Teilsystem für die Wasserstoff- und Sauerstoffversorgung: Der vom Raumfahrzeug beförderte Wasserstoff und Sauerstoff werden in überkritischer Flüssigkeit gespeichert, wodurch das Volumen des Tanks verringert und das Trennungsproblem von Gas und Flüssigkeit unter schwerelosen Bedingungen gelöst werden kann , erfordert aber, dass der Tank isoliert ist. Gute Leistung, niedrige Temperaturbeständigkeit, hohe Druckbeständigkeit (6 MPa für Sauerstofftank und 3 bis 3,5 MPa für Wasserstofftank). 2 Entwässerungssubsystem: Es gibt zwei Hauptmodi: dynamische Entwässerung und statische Entwässerung. Ersteres zirkuliert Wasserstoff mit Wasserdampf zu einer Kühlvorrichtung, um den Wasserdampf zur Trennung in Wasser zu kondensieren; Letzteres beruht auf einem porösen fasergewebten Material (wie einem Docht), um das kondensierte Wasser zu adsorbieren, was auch als Dochtentwässerung bezeichnet wird. Das aus dem Akkupack abgegebene Wasser wird zur Verwendung durch Astronauten oder als Kühlmittel gereinigt. 3-reihiges Wärmetrennsystem: Der Akku zirkuliert durch ein Kühlmittel (z. B. wässrige Glykollösung), um das Abwasser zum Kühler abzuleiten und den Temperaturbereich aufrechtzuerhalten, in dem der Akku normal arbeitet. 4 Subsystem für die automatische Steuerung: einschließlich Betriebsdruck, Temperatur, Entwässerung und Abgas des Batteriepacks, Steuerung und Regelung für Spannung, Sicherheit und Kühlmittelkreislauf. Die gemessenen Parameter werden an das Display des Astronauten-Cockpits übertragen oder vom Telemetriegerät auf den Boden zurückgesendet. Wenn der Akku ausfällt, wechselt er automatisch zum Backup-Akku.

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