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Funktionsweise der Brennstoffzelle

Brennstoffzellen basieren auf der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Sie ist als Knallgasreaktion bekannt und setzt viel Energie frei.

2 H2 + O2 ⇒ 2 H2O

Der Trick an der Brennstoffzelle ist nun, dass Wasserstoff und Sauerstoff nie unmittelbar miteinander in Berührung kommen, es also keinen Knall gibt: Sie werden durch einen Elektrolyten getrennt. Durch diesen Elektrolyten wird die Energie nicht explosionsartig und unkontrolliert frei, sondern in Form elektrischen Stroms.

Was passiert nun genau in der Brennstoffzelle? Dies sei am Beispiel der Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEFC) erläutert: Von außen kommen die Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff. Im Prinzip würden die beiden Gase nun gerne zu Wasser reagieren, denn diese Reaktion ist energetisch günstig. Sie können aber nicht, denn der Elektrolyt, in diesem Fall eine Membran aus hauchdünnem Plastik, ist so präpariert, dass er nur die Protonen durchlässt, also die Wasserstoff-Kerne, die ihre Elektronen schon abgestreift haben.

Das Wasserstoff-Molekül muss sich daher an der Anode in seine Bestandteile, zwei Protonen und zwei Elektronen, aufspalten. Dabei sind kleine Katalysatorpartikel behilflich, die dem Molekül einen kleinen Tritt zur Spaltung geben. Nun können die gespaltenen Moleküle als Protonen durch die Membran wandern. Die Elektronen werden nicht durch die Membran gelassen und fließen daher über ein äußeres Kabel. Auf diesem Weg verrichten sie elektrische Arbeit. Auf der anderen Seite der Membran, der Kathode, reagieren die Protonen und Elektronen mit dem Sauerstoff zu Wasser.

Bei der Reaktion wird nicht nur Elektrizität erzeugt. Die Gase, die die Zelle verlassen, nehmen die Wärme mit, die bei der Reaktion entsteht. Diese Wärme kann man auch nutzen: zum Heizen von Häusern oder Schwimmbädern oder zur Bereitstellung von Dampf für Industrie und Krankenhäuser.

Eine einzelne Zelle besteht aus einem Sandwich von Anode, Elektrolyt und Kathode. Viele davon hintereinandergeschaltet ergeben einen Stapel, ein sogenannter Stack.

 

Brennstoffzelle Schaubild 1

Brennstoffzelle Schaubild 2

Brennstoffzelle Schaubild 3

 

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letzte Änderung am 08.09.2009

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