Grundlagen der Brennstoffzelle

Chemie in der Brennstoffzelle

In einer Brennstoffzelle wird unter Verwendung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) chemische in thermische und elektrische Energie umgewandelt.

Der Wasserstoff diffundiert durch die poröse Anode zur sogenannten Dreiphasenzone, welche aus der katalytischen Oberfläche, dem Elektrolyt und Wasserstoff besteht.

Hier wird der Wasserstoff durch den Katalysator in Protonen und Elektronen aufgespalten.

Auf dem Weg zur Kathode können nur die Wasserstoffprotonen H+ die Polymermembran passieren. Die Elektronen sind gezwungen über einen äußeren Stromkreis zur Kathode zu fließen.

Hier wird dann auch die elektrische Arbeit am Verbraucher verrichtet.

An der Kathode diffundiert der Sauerstoff durch die poröse Elektrode. Auch hier findet die Reaktion an der Dreiphasenzone statt. Der Sauerstoff bildet zusammen mit den Wasserstoffionen und den Elektronen Wasser.

Chemie in der Brennstoffzelle

Anode :

Der Oxidationsvorgang per Elektronenabgabe läuft nach folgender Gleichung ab :

H 2 2H + + 2e -
U 0A = 0.0 V

Kathode :

Der Reduktionsvorgang der Elektronenaufnahme wird durch folgende Gleichung beschrieben :

2H + + 1 2 O 2 + 2e - H 2 O
U 0K = 1.23 V

Zellgleichung :

Der ganze Prozeß der Redoxreaktion wird durch folgende Summenreaktion beschrieben :

H 2 + 1 2 O 2 H 2 O
U 0AK = 1.23 V

Durch die Reaktion an den einzelnen Elektroden bilden sich verschiedene Spannungspotentiale aus.

Die Gesamtspannung einer Brennstoffzelle beträgt somit 1,23 V. Praktisch wird dieser Wert jedoch nicht erreicht, da auch die Brennstoffzelle interne Verluste hat.

Aufbau eines Brennstoffzellenstack

Um eine höhere Spannung zu erzielen, werden mehrere Brennstoffzellen in Stapeln (Stack) in einer Reihenschaltung montiert.

Ein Stack aus Brennstoffzellen besteht aus Endplatte, Stromabnehmerplatte, den jeweiligen Brennstoffzellen, welche sich mit Kühlzellen abwechseln und abschließend wieder eine Stromabnehmerplatte und Endplatte.

Grundsätzlicher Aufbau