Die brennstoffzelle
Die Brennstoffzelle
Bereits 1839 entdeckte der Physiker Sir William Grove das Prinzip, nach dem sich aus Wasserstoff elektrische Energie gewinnen lässt. Doch das ganze Potential dieser Reaktion wird erst seit Ende des 20. Jahrhunderts erkannt und genutzt. Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle kann theoretisch bei über 60 Prozent liegen. Zum Vergleich: Verbrennungsmotoren bringen es gerade mal auf über 20 Prozent.
Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung zur direkten Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie - analog zur Batterie.
Anders als bei galvanischen Zellen oder Batterien entlädt sich eine Brennstoffzelle aber nicht, und sie kann auch nicht aufgeladen werden: Sie arbeitet kontinuierlich, solange von außen Brennstoff und Oxidationsmittel zugeführt werden. Dabei liegt der Wirkungsgrad heutiger (Stand 1999) Brennstoffzellen maximal bei etwa 70-85%, also weitaus höher als der Wirkungsgrad üblicher Kraftwärme-Maschinen wie beispielsweise Dampfturbinen mit 30 oder 35%; Verbrennungsmotoren bringen es gerade mal auf über 20 Prozent.
Eine Brennstoffzelle enthält
· eine Anode, an der der Brennstoff zuströmt (meist Wasserstoff oder wasserstoffreiche Gase), und
· eine Kathode, an der das Oxidationsmittel zuströmt, meist Luft oder Sauerstoff.
Brennstoffzellen sind sogenannte elektrochemische Energiewandler. Durch sie ist es möglich, den chemischen Energiegehalt eines Brennstoffs, im Idealfall Wasserstoff, ohne den Umweg über eine Wärme-Kraftmaschine direkt in elektrische Energie umzusetzen.Die Arbeitsweise einer Brennstoffzelle kann am einfachsten am Beispiel der elektrochemischen Umsetzung von Wasserstoff in einer Brennstoffzelle mit saurem Polymerelektrolyten erklärt werden (Abbildung).
Wasserstoff (H2) wird einer Elektrode zugeführt, die mit einem Katalysator (z. B. feinverteiltes Platin) belegt ist. Am Katalysator wird das Wasserstoffmolekül in Atome dissoziiert und nach Abgabe je eines Elektrons ionisiert. Es entstehen Wasserstoff-Ionen (H+ bzw. Protonen).
Die Elektrode ist ebenfalls im Kontakt mit einem Elektrolyten, in dem gelöste, elektrisch geladene Teilchen (Ionen) vorhanden sind, die den elektrischen Strom leiten können. Funktionsprinzip einer PEM-Brennstoffzelle
Die an der Wasserstoffelektrode erzeugten Protonen können in den Elektrolyten übertreten und hinterlassen Elektronen in der Elektrode, die dadurch ein negatives Potenzial annimmt. Die negative Elektrode wird Anode genannt, da Wasserstoff hier zu Protonen oxidiert wird.
An der Sauerstoffelektrode werden Sauerstoffmoleküle (O2) dissoziiert und können Elektronen aus der Elektrode aufnehmen. Die an der Sauerstoffelektrode gebildeten negativen Ionen können mit den Protonen des Elektrolyten zu Wasser (H2O) reagieren. Demzufolge bildet die Sauerstoffelektrode ein positives Potenzial aus.
Die positive Elektrode wird Kathode genannt, da hier Sauerstoffreduktion stattfindet.
Die chemischen Reaktionen hierzu lauten:
Negative Elektrode (Anode): 2 H2 4 H+ + 4 e-
Positive Elektrode (Kathode): O2 + 4 e- + 4 H+ 2 H2O
Gesamtreaktion: 2 H2 + O2 2 H2O + Elektrizität + Wärme
Werden die beiden Elektroden über eine externe Last miteinander verbunden, so kann ein elektrischer Strom fließen. Gleichzeitig mit dem elektrischen Strom, der durch den äußeren Stromkreis fliesst, muss ein Protonenstrom durch den Elektrolyten fließen. Beide Ströme können nur aufrecht erhalten werden, solange die Versorgung der Elektroden mit Wasserstoff und Sauerstoff gewährleistet ist. Der Stromfluss wird direkt durch die Wandlung eines signifikanten Teils der chemischen Energie von Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie gespeist.
Als Produkt entsteht reines Wasser.
Die Entstehung weiterer Schadstoffe ist durch die Vermeidung von Flammverbrennungsvorgängen ausgeschlossen.
Die für die "elektrochemische Verbrennung" von Wasserstoff mit Sauerstoff maximal erzielbare Zellspannung ist temperaturabhängig und beträgt bei Raumtemperatur 1,23 Volt. In der Praxis werden jedoch abhängig von der Belastung der Zelle Spannungen von etwa 0,6 bis 0,9 Volt erreicht. Höhere Spannungen werden durch eine elektrische Serienschaltung mehrer Einzelzellen zu einem Stapel (Stack) erreicht. Brennstoffzellenstack ZSW
Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle
Das Kernstück einer Brennstoffzelle bildet die Elektrode-Membran-Einheit (EME), die eine Stärke von etwa 0,2 mm hat. Sie besteht aus einer dünnen Folie, auf der auf beiden Seiten Elektroden angebracht sind.
Die Elektroden sind wiederum mit einem fein verteilten Katalysator (z.B. Platin) belegt. Die Katalysatorbelegung beträgt etwa 0,5 mg/cm2.
Modell einer Elektrode-Membran-Einheit Foto einer Bipolarplatte mit Kanalstrukturen
Auf beiden Seiten der Elektrode-Membran-Einheit werden Gasdiffusionslagen angepresst, die für eine optimale Verteilung und Heranführung der beiden Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Luft sorgen.
Diese gesamte Einheit wird von zwei Bipolarplatten umschlossen, welche die Gaszuführung an die Gasdiffusionslagen über feine Kanäle realisieren.
Nachfolgende Abbildung macht den Aufbau eines bipolaren Brennstoffzellenstapels deutlich, bei dem mehrere Einzelzellen in Reihe nacheinander geschaltet sind.
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