Funktionsweise einer Brennstoffzelle
|
Eine Brennstoffzelle ist ein
elektrochemischer Energiewandler. Sie wandelt chemische Energie in
elektrische Energie mittels zweier separater elektrochemischer Reaktionen.
In einer wasserstoffdurchlässigen Polymer-Elektrolyt-Membran
Brennstoffzelle (PEM-BZ) wird Wasserstoff an der Anode (Minus-Pol) in
Protonen und Elektronen oxidiert. Die Protonen wandern durch das
Membranelektrolyt zur Kathode (Plus-Pol). Aufgrund der elektrisch
isolierenden Eigenschaften der Membran werden die Elektronen gezwungen über
einen äußeren elektrischen Kreis zu gehen. An de Kathode reagiert der
Sauerstoff mit den Elektronen zum Reaktionsprodukt Wasser, welches das
einzige Abfallprodukt einer wasserstoffbetriebenen PEM-BZ ist. Der
Reaktionsablauf ist in der nachfolgenden Abbildung noch einmal
veranschaulicht.
Wasserstoff wird an der Anode zu Protonen oxidiert:
H2
Während der
Sauerstoff an der Kathode reduziert wird: ½O2
+ 2H+ + 2e- Gesamt(-zell-)Reaktion:
H2 +
½O2
Aus Wasserstoff und
Sauerstoff entsteht Wasser, Wärme und Energie. Dies gilt auch für
die anderen Brennstoffzellenarten, trotz variierender Brennstoffe,
Elektrolyten und die Ladung übertragender Ionen. Die treibende Kraft in
einer Brennstoffzelle ist die natürliche Affinität für eine niedrige (chemische)
freie Energie. Wasserstoff und Sauerstoff sind in der Gegenwart des
jeweils anderen unstabil und bilden so spontan in einer Redoxreaktion
Wasser. Das Reaktionsprodukt (Wasser) besitzt eine geringere freie Energie
als die Reaktanden (Wasserstoff und Sauerstoff), siehe auch nachfolgende
Abbildung, und ist somit der vom System (natürlicherweise) bevorzugte
Zustand. Beschleunigt man nun die Teilreaktionen (Reduktion und Oxidation)
und trennt beide Reaktionsseiten durch einen Elektrolyten, so kann die
Energiedifferenz zwischen den Reaktanden und dem Reaktionsprodukt direkt
in elektrische Energie umgewandelt werden.
Die maximale Betriebsspannung einer einzelnen Brennstoffzelle ist kleiner als 1 Volt. Für viele praktische Anwendungen werden mehrere Einzelzellen miteinander verbunden. Dabei werden die einzelnen Zellen in den meisten Fällen in Reihe zu einem Stack miteinander verschaltet. Durch die Variation der Anzahl und Größe der Zellen kann das Brennstoffzellensystem so den allermeisten Arten von Anforderungen angepasst werden.
|
|
|
|
Copyright © 2004-2006 Fuel Cell Norway ANS |
