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Brennstoffzellen > Grundlagen

Funktionsprinzip von Brennstoffzellen

Was ist eine Brennstoffzelle?

Die konventionelle Umwandlung der chemischen Energie eines Brennstoffs in Elektrizität basiert derzeit auf der Anwendung der Wärmekraftmaschinen. Diese Maschinen arbeiten auf dem Prinzip der indirekten Energieumwandlung: es muss zunächst Wärme produziert werden (Dampferzeugung), die dann in mechanische (Turbine) und schließlich in elektrische Energie (Generator) umgesetzt wird.

             

In Konkurrenz zu der bisher üblichen thermomechanischen Energieumwandlung steht die Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Apparat zur direkten Umwandlung der chemischen Energie eines Brennstoffs in Elektrizität.

Ähnlich wie Batterien produzieren Brennstoffzellen Gleichstrom bei niedriger Spannung. Eine Batterie beziehungsweise ein Akkumulator verbraucht zur Elektrizitätserzeugung einen chemischen Stoff, der in dem Zellenblock selbst enthalten ist. Bei den Brennstoffzellen dagegen wird der Brennstoff dem Zellenblock kontinuierlich zugeführt, ähnlich wie Benzin- oder Dieselkraftstoff bei einem Verbrennungsmotor.

In der Grafik ist auch der Aufbau von Brennstoffzellen aus zwei gasdurchlässigen Elektroden und einer die Gase trennenden, ionenleitenden Elektrolytschicht schematisch dargestellt. Die Zuführung der Reaktionsgase ist jeweils in die Elektroden integriert. Auf der Anodenseite wird das Brenngas Wasserstoff katalytisch oxidiert gemäß

Die dabei entstandenen Elektronen gelangen über den äußeren Verbraucherstromkreis zur Kathode, wo das Oxidationsmittel Sauerstoff katalytisch reduziert wird gemäß

Je nach Elektrolyttyp wandern die Wasserstoff-Protonen von der Anode zur Kathode (PEFC, PAFC) oder die Anionen in entgegengesetzter Richtung (AFC, MCFC, SOFC), treffen dort auf den Reaktionspartner und reagieren zu Wasser:

 Als Bruttoreaktion ergibt sich dann folgende Gleichung:

 

 

Neben der Verwendung von reinem Wasserstoff ist in Hochtemperaturzellen außerdem die energetische Verwertung von Kohlenmonoxid möglich, das analog zur Wasserstoffreaktion zu Kohlendioxid reagiert:

Der Wirkungsgrad wird nicht wie bei Wärmekraftprozessen durch den Carnot-Wirkungsgrad begrenzt, sondern er wird weitgehend durch konstruktive Merkmale bestimmt.

 

Aufbau der Brennstoffzelle

Funtionsprinzip Brennstoffzelle

Im Wesentlichen besteht die Brennstoffzelle aus zwei Elektroden, der Anode und der Kathode, und einem Elektrolyten, der die beiden Elektroden und auch die Gase trennt aber den Transport bestimmter Ionen zulässt. Der elektrochemische Prozess verläuft prinzipiell in umgekehrter Reihenfolge wie die Elektrolyse. Der Brennstoff wird kontinuierlich der Anode zugeführt, der (Luft)Sauerstoff der Kathode.

Die Reaktionen hängen von der Art des Elektrolyten ab. Bei niedrigen Temperaturen transportieren saure Elektrolyte nur Protonen von der Anode zur Kathode, wo sie sich mit Sauerstoff zu Wasser(dampf) verbinden. Alkalische Elektrolyte, die ebenfalls im unteren Temperaturbereich arbeiten, transportieren Hydroxid-Ionen von der Kathode zur Anode, wo sie mit Wasserstoff zu Wasser reagieren.

Bedingt durch die Potenzialdifferenz zwischen Brenngas- und Sauerstoffelektrode fließen die Elektronen über den externen Stromkreis (Elektrischer Verbraucher) zur Kathode und verrichten elektrische Arbeit. Bekannte Hochtemperatur-Elektrolyte transportieren ebenfalls negativ geladene Ionen von der Kathode zur Anode.

In einem höheren Temperaturbereich, bei den sogenannten Hochtemperaturzellen, die zwischen 600 °C und 1000 °C betrieben werden, wird die ionische Leitung entweder durch die negativ geladenen Karbonationen (CO32-) oder Oxidionen O2- vermittelt.

In der Einzelzelle wird im Betrieb eine Spannung von nur etwa 0,7 Volt gemessen, so dass für eine höhere nutzbare Spannung mehrere Brennstoffzellen zu einem Stapel (Stack) in Reihe geschaltet werden. Der von der Brennstoffzelle erzeugte Gleichstrom wird durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt. Die Abwärme der Brennstoffzelle wird über einen Kühlkreislauf ausgekoppelt und kann zu Heizzwecken abgegeben werden.