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Funktionsprinzip

In der Brennstoffzelle wird die chemische Energie des Wasserstoffs in Strom und Wasser unter Abgabe von Wärme umgewandelt. Diese Reaktion ist die Umkehrung der Elektrolyse, bei der Wasser durch Zuführung von Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird.

Brennstoffzelle: 2 H(g) + O2 (g) -> 2 H2O (fl) 

Elektrolyse: 2 H2O (fl) -> 2 H2 (g) + O2 (g)

BZ_Reaktionsprinzip von IBZ

Die Funktionsweise der Brennstoffzelle soll nachfolgend am Beispiel der PEM-Brennstoffzelle, dem heute verbreitetsten Brennstoffzellentyp, erläutert werden: Die PEM-Brennstoffzelle besteht aus drei Teilen. In der Mitte befindet sich als Elektrolyt eine (protonenleitende) Kunststoffmembran. Rechts und links davon liegt e

ine Elektrode aus Graphit oder Metall, die auch als Anode (+) und Kathode (-) bezeichnet werden. An der Anodenseite wird Wasserstoff, an der Kathodenseite Sauerstoff zur Membran geleitet. Die gewünschte elektrochemische Reaktion wird durch einen Katalysator (meist Platin) unterstützt. Der an der Anode zugeführte Wasserstoff teilt sich mit Hilfe des Katalysators in Elektronen (negative Ladungsträger) und Protonen (positive Wasserstoff-Ionen). Die freien Elektronen werden als elektrischer Strom durch die Elektrode in den äußeren Strom-Kreislauf und zum Verbraucher (z.B. Elektromotor) geleitet. Die Protonen wandern durch die Elektrolyt-Membran zur Kathode. Auf der Kathodenseite vereinen sich der Sauerstoff, die Elektronen aus dem Strom-Kreislauf sowie die H2-Protonen und erzeugen unter Abgabe von Wärme Wasser (H2O). Die elektrische Spannung in jeder Brennstoffzelle beträgt ca. 1 Volt. Um ausreichende Leistungen von wenigen Watt bis zu mehreren 100 Kilowatt für unterschiedliche Brennstoffzellenanwendungen zu erzeugen, werden viele einzelne Brennstoffzellen hintereinander geschaltet. Man spricht dann von so genannten Brennstoffzellen-Stapeln oder Stacks. Bei allen übrigen Brennstoffzellentypen besteht der Elektrolyt nicht wie bei der PEM-Brennstoffzelle aus einer Kunststoffmembran, sondern aus unterschiedlichen chemischen Stoffen und Verbindungen. Als Kraft- und Brennstoff kann dann nicht nur reiner Wasserstoff, sondern auch Methanol, Erd- oder Biogas verwendet werden.

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Reaktionsschemata unterschiedlicher Brennstoffzellen-Typen

Quelle: A.Dyck, FWB

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