Der Aufbau einer Brennstoffzelle ist relativ einfach, da die Brennstoffzelle aus nur wenigen Einzelteilen besteht. Das wichtigste sind dabei der Elektrolyt und die Elektroden. Weiterhin werden Flowfield-Platten (Verteilerstrukturen) benötigt um die Reaktanden gleichmäßig in der gesamten Zelle zu verteilen. In der nachfolgenden Abbildung sind die einzelnen Komponenten einer (PEM)-Brennstoffzelle dargestellt.

Nachfolgend werden die Komponenten beschrieben und deren wesentliche Eigenschaften aufgezeigt.

•  Elektrolyt - Das Elektrolyt hat wesentliche Eigenschaften in einer Brennstoffzelle. Es ist ionischer Leiter, elektrischer Isolator und Separator für die anodischen und kathodischen Reaktanden. Die Ionen müssen die Membran durchqueren um das Ladungsgewicht zwischen Anode und Kathode aufrecht zu erhalten. Die Art der Ionen und die Durchtrittsrichtung sind aber vom Brennstoffzellentyp abhängig (siehe „Brennstoffzellen-Arten“). Wie im Abschnitt „Prinzip“ beschrieben, ist die wesentliche Aufgabe einer Brennstoffzelle die Trennung der Reaktanden und damit die Gewährleistung das die elektrochemische Reaktion an Anode und Kathode getrennt voneinander ablaufen. Jedweder Stromfluss oder Reaktionsdurchtritt durch den Elektrolyten bewirkt eine Verschlechterung der Eigenschaften einer Brennstoffzelle, was wiederum einen hohen Einfluss auf die Funktion einer Brennstoffzelle hat.

• Elektroden - Die elektrochemischen Reaktionen finden an der Elektrodenoberfläche statt. Der Brennstoff wird dabei an der Anode oxidiert und Sauerstoff wird an der Kathode reduziert. Werden Elektroden und Membran miteinander verbunden, so wird dies als Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) bezeichnet. Für „Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen“ werden Edelmetalle als Elektrodenmaterial benötigt um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Platin ist der dabei am häufigsten verwendete katalysator, wobei es manches Mal mit anderen Materialien kombiniert wird. Bei „Hochtemperatur-Brennstoffzellen“ (MCFC, SOFC) ist dies nicht notwendig, weshalb hier preiswertere Metalle/Materialien eingesetzt werden können.

• Gasdiffusionsschicht - (Engl. Gas Diffusion Layer, GDL) GDL werden nur in „Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen“ eingesetzt. Sie sind notwendig um die Reaktanden zur und die Reaktionsprodukte von der Elektrodenoberfläche zu transportieren. Sehr wichtig ist dabei auch der Abtransport des Reaktionswassers von der Kathode in z.B. PEMFC. Die GDL sind so optimiert, das sie ihre hydrophoben Eigenschaften ändern können. Werden die GDL zwischen den Elektroden und dem Flowfield (Stromableiter) angeordnet, müssen sie zusätzlich noch elektrisch leitend sein.

• Verteilerstruktur und Bipolplatte (BPP) - Verteilerstrukturen (oder Flow-Fields) sind notwendig um den Brennstoff und den Oxidanten (Luft) innerhalb der gesamten Zelle zu verteilen. Verschiedene Kanalstrukturen wie mäanderförmig, parallel und „interdigitaded“, sind in die Platten eingelassen, in denen dann z.B. Wasserstoff und Luft strömen können. Für die unterschhiedlichen Brennstoffzellentypen gibt es verschiedene Materiealien. So können Graphit, Edelstahl und Kunststoff für „Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen“ oder Keramiken für „Hochtemperatur-Brennstoffzellen“ eingesetzt werden. Die Verteilerstrukturen dienen auch als Stromableiter.

Nachfolgend ist beispielhaft ein Einzeller mit mäanderförmigen Kanälen für die Reaktanten dargestellt. Die Elektrolytmembran mit den Elektroden und die Gasdiffusionsschichten befinden sich zwischen den Graphitplatten.  

Damit es möglich wird Brennstoffzellensysteme mit hoher Leistung zu entwickeln, werden einzelne Zellen zu einem Stack zusammengefasst. In solch einem Fall haben die Verteilerstrukturen auf beiden Seiten Strukturen, weshalb sie dann als Bipolplatten bezeichnet werden. Nachfolgend ist das Prinzip eines solchen Stack skizziert. Für jeden Brennstoffzellentyp und jede spezielle Anwendung gibt es auch ein eigenes Stackdesign. Abhängig von den speziellen Anwendungen (nutzbare Leistung, Wärme, Größe und Form) werden verschiedene Verteilerstrukturen, BPP und komplette Zellstacks entwickelt. Ein interessantes Beispiel ist dabei die röhrenförmige SOFC von Siemens Westinghouse (siehe auch „Brennstoffzellentypen / SOFC“).

Ein komplettes Brennstoffzellensystem beinhaltet jedoch mehr als nur den Zellstack. So gehören mindestens ein Brennstofftank, Pumpen, Lüfter und eine Überwachungseinheit zu einer funktionierenden Brennstoffzelle. Am wenigsten kompliziert aufgebaut sind jedoch stationäre Kraftwerke, da gerade die kleinen Anwendungen zu großen Herausforderungen in der Systementwicklung führen können. Nachfolgend ist beispielhaft ein Direkt-Methanol-Brennstoffzellen Mobiltelefon-Batterieladegerät von Motorola dargestellt.

Im Gegensatz zu Batterien wird der Brennstoff von Brennstoffzellen separat zum Energiewandler gespeichert. Die Größe des Speichersystems begrenzt dabei die Einsatzzeiten. Wasserstoff kann in Drucktanks, Metallhydriden, als flüssiger Wasserstoff oder chemisch gebunden gespeichert werden. Schwerere Kohlenwasserstoffe können ebenfalls gespeichert werden und entweder direkt in die Zelle oder reformiert als Wasserstoff, jeweils abhängig vom Brennstoffzellentyp und der jeweiligen Anwendung, eingespeist werden. In den meisten Fällen ist der Oxidant bzw. die Sauerstoffquelle Luftsauerstoff. Die Pumpen und Lüfter versorgen die Brennstoffzelle aus dem Tank bzw. der Luft.

Für einige Brennstoffzellentypen ist die Feuchtigkeit des Elektrolyten entscheidend für die Protonenleitfähig und damit die Gesamteigenschaften. Deshalb ist dann ein Befeuchter notwendig, der Wasser den Gasen zuführt um die Feuchtigkeit in der Zelle und der Membran zu kontrollieren.

Deshalb sind die theoretischen Verluste in einer Brennstoffzelle relativ gering, obwohl beträchtliche Mengen an Wärme während des Betriebs produziert werden. Ist z.B. der Gesamtwirkungsgrad eines Systems 50 %, so werden Wärme und elektrische Leistung in gleichen Mengen produzier. Aus diesem Grund ist es notwendig ein Kühlsystem, basierend auf Wasser oder Luft, einzusetzen um eine Überhitzung zu vermeiden.

All die eingesetzten Komponenten müssen von einer Kontrolleinheit überwacht werden um einen stabilen Betrieb und eine verlässliche Ausgangsleistung eines Brennstoffzellensystems zu gewährleisten.

Nach Oben

Copyright © 2004-2006 Fuel Cell Norway ANS