Die Brennstoffzelle
Energie aus Wasserstoff
Im Folgenden wird der Aufbau und die Funktionsweise einer Brennstoffzelle beschrieben, die aus Wasserstoff Energie freisetzt . Sie ist im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen von ihrem Prinzip her die einfachste.
Die eigentliche Zelleinheit der Brennstoffzelle besteht aus zwei porösen Kohlenstoffgeweben, die als Elektroden, als Kathode und Anode, fungieren. Anode und Kathode sind mit einer Polymermembran verbunden, die als Elektrolyt dient und die beiden Gase Wasserstoff und Sauerstoff räumlich trennt. An den Außenseiten der Elektroden liegen Gasflussplatten. Diese Gasflussplatten verfügen über kleine Kanäle, durch welche die Gase Wasserstoff und Sauerstoff strömen, damit sie mit der gesamten Oberfläche der porösen Kohlenstoffelektroden in Berührung kommen. Gleichzeitig kann über diese Kanäle das bei der Energieerzeugung entstehende Wasser abfließen.
Ist die Brennstoffzelle in Betrieb, findet an der Anode Oxidation, das heißt die Abgabe von Elektronen, statt. An der Kathode kommt es hingegen zu einer Reduktion, das heißt der Aufnahme von Elektronen. Der Brennstoff – in diesem Fall Wasserstoff – wird also an der Anode unter Abgabe von Elektronen oxidiert. Diese Elektronen fließen von der Anode, die dadurch der negative Pol der Zelle wird, durch den äußeren Stromkreis zur Kathode, die dadurch der positive Pol der Zelle wird. Gleichzeitig wandern Wasserstoff-Ionen durch die Polymerelektrolytmembran zur Kathode, um die Ladungen auszugleichen.
Eine Brennstoffzelle folgt also demselben Funktionsprinzip wie eine Batterie. Ihre Vorteile gegenüber einer Batterie sind jedoch, dass sie nicht wieder aufgeladen werden muss und dass sich ihre Elektroden während der ablaufenden chemischen Reaktionen nicht verändern. Die gespeicherte Energie befindet sich bei einer Batterie also in den Elektroden selbst, bei einer Brennstoffzelle dagegen im Brennstoff.
Die Reaktionen, die in der Zelle ablaufen, sind:
An der Anode:
2H2(g) ➝ 4H+ + 4e-
An der Kathode:
O2(g) + 4H+ + 4e- ➝ 2H2O(l)
Gesamtreaktion:
2H2(g) + O2(g) ➝ 2H2O(l)
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle hat eine maximale Spannung von 1,23 V. Dies ist genau die Spannung, ab der die Zersetzung von Wasser bei der Elektrolyse theoretisch möglich ist. In der Praxis beträgt die Spannung bei Betrieb einer Wasserstoff-Brennstoffzelle jedoch wegen Verlusten durch Rückreaktion, Innenwiderstand und nicht ausreichende Diffusion von Gasen nur 0,6 – 0,9 V.
Höhere Spannungen werden durch Reihenverschaltung von Einzelbrennstoffzellen in Stapeln (auch Stacks genannt) erzielt. Der maximale Strom, der von einer Brennstoffzelle erzeugt werden kann, ist proportional zur Fläche der Elektroden. Derzeit liegt die maximale Stromdichte (Strom pro Flächeneinheit) von Brennstoffzellen bei etwa 2 Acm-2. Solch hohe Stromdichten sind allerdings nur unter Verwendung von Katalysatoren zu erreichen. Die Reaktionen an den Kohlenstoffelektroden wären ohne einen zusätzlichen Katalysator viel zu langsam. Für Wasserstoff-Brennstoffzellen wird üblicherweise Platin als Katalysator verwendet.
Da Brennstoffzellen in Stapeln und Modulen aufgebaut werden können, sind sie für alle Arten von Anwendungen verwendbar. Sie können ebenso in tragbaren Geräten wie in Kraftwerken eingesetzt werden.
