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  Funktionsweise einer Brennstoffzelle
26.01.2006 von admin

Die Funktionsweise der Brennstoffzelle



Die Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Wandler, in dem mit hohem Wirkungsgrad und geringen CO2-Ausstoß sowie fast ohne Schadstoffe aus chemischer Energie (in Form von Erdgas, Methanol usw.) Strom und Wärme erzeugt wird.

In einer Brennstoffzelle wird das Prinzip der Elektrolyse (Zerlegung von Wasser in die beiden gasförmigen Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff) umgekehrt, d.h. Wasserstoff und Sauerstoff verbinden sich in einem kontrollierten elektrochemischen Prozess ("kalte" Verbrennung) zu Wasser. Aus dieser Verbindung können Strom und Wärme gewonnen werden.

Die eigentliche Zelle besteht aus drei Schichten: Anode und Kathode, fungieren als Katalysator und umschließen eine mittlere Schicht, die als Trägereinheit den Elektrolyten aufnimmt. Bei den unterschiedlichen Brennstoffzellentypen dienen jeweils unterschiedliche Stoffe als Elektrolyt. Einige sind flüssig, andere sind fest mit einer Membranstruktur.

Im Folgenden wird exemplarisch das grundlegende Funktionsprinzip einer PEMFC beschrieben:

Als Erstes wird Wasserstoff (H2) einer Elektrode (Anode) zugeführt, die mit einem Katalysator aus feinverteiltem Platin beschichtet ist. Das Wasserstoffmolekül wird mit Hilfe des Katalysators zunächst in einzelne Atome aufgespalten und anschließend unter Abgabe je eines negativ geladenen Teilchens (Elektron) zu positiv geladen Teilchen (Protonen, H+) ionisiert.

Die Anode ist in Kontakt mit einer gasdichten, protonenleitenden Membran. Diese trennt die Gase Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) räumlich voneinander und dient gleichzeitig als Elektrolyt. Nur so kann gewährleistet werden, dass der bei der chemischen Reaktion stattfindende Elektronenaustausch nicht innerhalb der Zelle sondern über einen äußeren Stromkreis stattfindet. Die an der Anode entstandenen Protonen (H+) können die Elektrolyten passieren. An der Anode (Wasserstoffelektrode) bleiben negativ geladene Elektronen zurück.

Der gleiche Vorgang findet an der Kathode statt. Hier werden Sauerstoffmoleküle durch den Katalysator gespalten (O2-). Die Sauerstoff-Ionen reagieren mit den Wasserstoff-Ionen an der Kathode zu Wasser. Damit die Oxidation ablaufen kann, werden jedoch die Elektronen benötigt die zuvor an der Anode abgegeben wurden. Verbindet man nun die beiden Elektroden mit einem elektrischen Leiter, so wandern durch diesen die Elektronen von der Anode zur Kathode: es entsteht eine elektrische Spannung, die einen Verbraucher, z.B. Elektromotor antreiben kann.



* AFC: Alkalische Brennstoffzelle (Alkaline Fuel Cell)
* PEMFC: Polymermembran-Brennstoffzelle (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell oder auch Proton Exchange Membrane Fuel Cell)
* PAFC: Phosphorsäure Brennstoffzelle (Phosphoric Acid Fuel Cell)
* MCFC: Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (Molten Carbonate Fuel Cell)
* SOFC: Oxidkeramische Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell)


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