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Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

Die Frage: 'Was passiert in einer Brennstoffzelle?' kann ganz knapp beantwortet werden: Die Elektrolyse wird umgekehrt.

Bei der Elektrolyse handelt es sich um die Auftrennung (Spaltung) von Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff. Wird dieser Vorgang umgekehrt, entstehen demnach bei der Vereinigung von Wasserstoff und Sauerstoff elektrischer Strom und Wasser.

Vielfach wird bei dieser Reaktion an die Knallgas-Reaktion gedacht, die eventuell im Chemie-Unterricht anhand eines lauten Knalles veranschaulicht wurde und dadurch besonders gut in Erinnerung geblieben ist. Bei einer derartigen Reaktion sind ebenfalls Wasserstoff und Sauerstoff als Ausgangsprodukte beteiligt. Es muss jedoch reiner Sauerstoff vorhanden sein, der unter einem ganz bestimmten Verhältnis (1:2) mit Wasserstoff vermischt und dann gezündet wird. Lediglich unter diesen speziellen Umständen kommt es zu einer derart lauten Reaktion. Es passiert hingegen nichts, wenn zu wenig Sauerstoff vorhanden ist oder das Mischungsverhältnis abweicht oder die Zündquelle fehlt. Demzufolge kann es in einer Brennstoffzelle zu keiner Knallgas-Reaktion kommen. Man spricht bei diesem Vorgang vielmehr von der 'kalten Verbrennung'.

Abb.: Schema einer Brennstoffzelle 1

[Daum, 2000]

Das Herz einer PEM-Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, der Anode (Pluspol) und der Kathode (Minuspol), die durch eine ionen-durchlässige Polymer-Membran getrennt sind. Dieser Elektrolyt ist ca. 0,1 mm dick und ähnelt einer Folie für Overhead-Projektoren. Diese Membran muss gasdicht sein, damit Wasserstoff und Sauerstoff nicht direkt miteinander reagieren können. Für Elektronen darf sie auch nicht passierbar sein, sie muss also elektrisch isolierend wirken. Sie muss jedoch protonen-durchlässig sein, das heißt Wasserstoff-Ionen dürfen passieren.

Als Elektrolyt-Material kommen egal für welche Brennstoffzellen-Art nur wenige Materialien in Frage. Im Niedertemperatur-Bereich gibt es einige wenige Säuren oder Basen, die einsetzbar sind, und im Hochtemperatur-Bereich gibt es Oxid-Keramiken und Karbonate.

Die Elektroden müssen eine hohe Porosität aufweisen, damit eine große Oberfläche für die elektrochemischen Umsetzungen zur Verfügung steht. Sie werden mit einer dünnen, katalytisch wirkenden Edelmetall-Schicht überzogen. Als Katalysatoren-Materialien werden meist Platin oder Platin-Legierungen verwendet, da die Membran stark sauren Charakter aufweist (vergleichbar mit Schwefelsäure) und niederwertige Metalle angreifen würde.

Der Kraftstoff wird durch Graphitplatten (Bipolar-Platten) zugeführt, in die feine Gänge gefräst sind. Durch diese Gänge wird auf der einen Seite Wasserstoff und auf einer anderen Seite Luft bzw. Sauerstoff zugeführt (s. Abb. 2). Auf der Anoden-Seite muss die Membran befeuchtet und auf der Kathoden-Seite muss das Reaktionsprodukt Wasser entfernt werden. Gleichzeitig muss die Wärme aus dem Stapel abgeführt und soweit möglich nutzbar gemacht werden.

Der an der Anode zugeführte Wasserstoff teilt sich mit Hilfe des Katalysators in Elektronen (negative Ladungsträger) und Protonen (positive Wasserstoff-Ionen). Die freien Elektronen werden als elektrischer Strom durch die Elektrode in den äußeren Strom-Kreislauf geleitet. Die Protonen diffundieren durch die Elektrolyt-Membran zur Kathode. Obwohl die Protonen größer sind als die Elektronen, gelangen keine Elektronen durch diese Membran. Dies kommt durch den Säuregrad des Elektrolyten. Es hat damit chemische Gründe und ist unabhängig von den Größen-Verhältnissen. Die negativ geladenen Elektrolyt-Ionen leiten das Proton weiter, wobei die Ionen selber ortsfest bleiben. Die negativen Elektronen hingegen werden abgestoßen und müssen den langen Weg außen herum nehmen. Auf der anderen Seite an der Kathode rekombinieren die Sauerstoff-Ionen aus der Luft, die Elektronen aus dem Strom-Kreislauf sowie die H2-Protonen und erzeugen unter Wärme-Entwicklung Wasser.

Abb.: Schema einer Brennstoffzelle 2

[Blume, 2001]

Zwischen Kathode und Anode besteht somit eine Spannungsdifferenz (Potential-Unterschied). Schaltet man einen Verbraucher (z. B. einen Elektromotor) in den äußeren Stromkreis zwischen die beide Elektroden, wird dieser angetrieben. Die erzeugte Reaktionswärme wird u.a. für die Beheizung der Brennstoffzelle oder weiterer Nebenaggregate genutzt.

Einer PEM-Brennstoffzelle kann direkt Wasserstoff als Kraftstoff zugeführt werden. Werden andere Kraftstoffe wie etwa Erdgas, Kohlegas, Klärgas, Biogas oder Methanol gewählt, muss ein Reformer mit Entschwefelungseinrichtung vorgeschaltet werden, wodurch der Gesamt-Wirkungsgrad jedoch sinkt.

Niedertemperatur Brennstoffzelle: PEM Brennstoffzelle Aufbau

Die PEM-Brennstoffzelle kann bei relativ niedrigen Temperaturen (max. 100 °C) betrieben werden. Sie gehört damit zu den Niedertemperatur-Brennstoffzellen. Höhere Temperaturen wären lediglich bei Druckbetrieb möglich, da für die Ionenleitung die Anwesenheit von Wasser notwendig ist. Ohne eine Druckerhöhung siedet Wasser jedoch bei 100 °C.

Damit bei diesem Temperaturniveau eine ausreichend hohe Reaktionsgeschwindigkeit sichergestellt werden kann, sind die bereits erwähnten Katalysatoren notwendig. Katalysatoren können chemische Reaktionen ermöglichen bzw. beschleunigen, nehmen selber aber nicht an der Reaktion teil. Sie werden folglich nicht verbraucht oder abgenutzt. Auf der Kathoden-Seite kommt es jedoch durch den anwesenden Sauerstoff zu Oxidationserscheinungen, wodurch die Lebensdauer negativ beeinflusst wird.

Im Gegensatz zu Hochtemperatur-BSZ sind Niedertemperatur-BSZ sehr flexibel und können relativ schnell an- und abgeschaltet werden. Die Betriebstemperatur wird nach kurzer Zeit erreicht, da die eigene Abwärme das System rasch aufheizt. Wird der Laststrom geändert, so folgt die Brennstoffzellen-Spannung sehr schnell (0,1 Sek.) der Laständerung. Aufgrund dieses guten Lastwechsel-Verhaltens und des hohen Wirkungsgrades im Teillastbetrieb sind Niedertemperatur-Brennstoffzellensysteme in besonderem Maße für den Einsatz bei Kraftfahrzeugen geeignet.

Die in PEM-BSZ verwendeten Katalysatoren benötigen eine relativ hohe Brenngas-Reinheit. Hochtemperatur-Brennstoffzellen können einen gewissen Prozentsatz Verunreinigungen vertragen. Bei Niedertemperatur-Brennstoffzellen wird jedoch Kohlenstoff-Monoxid nur in sehr geringen Mengen toleriert, da es als so genanntes Katalysatorgift wirkt. Die Toleranzgrenze liegt bei etwa 10 bis 100 ppm (zehn bis 100 CO-Teilchen pro eine Million Wasserstoff-Teilchen). Die Empfindlichkeit von PEM-BSZ gegen CO beruht auf der Blockierung der Platinbelegung der Anode. Dadurch sinkt die Reaktionsgeschwindigkeit und somit die Zellspannung. Das hat wiederum zur Folge, dass der elektrische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle sinkt. Der Effekt ist vergleichbar mit dem Einatmen von CO beim Menschen. Die CO-Moleküle lagern sich an den roten Blutkörperchen (Platin-Molekülen) an und behindern so die Reaktion mit Sauerstoff (Wasserstoff).

Die Endprodukte der elektrochemischen Vorgänge in einer Brennstoffzelle sind Gleichstrom sowie Wasser bzw. Wasserdampf. Jede einzelne Brennstoffzelle erzeugt je nach Bauart unter Last ca. 0,7 V, die maximale Spannung liegt etwa bei 1,2 V (entspricht einer Leistung von ca. 100 W).

Brennstoffzellen Stack

Erst viele in Reihe geschaltete Zellen, die gemeinsam als 'Stacks' bezeichnet werden, liefern eine ausreichend hohe Leistung für den Betrieb. Ein Stack kann bis zu 200 dicht aneinanderliegende Brennstoffzellen enthalten.

Für Brennstoffzellen-Stacks gilt:

  • Die Anzahl der Zellen innerhalb des Stacks bestimmt die Spannung.
  • Die Größe der Membranfläche bestimmt die Stromstärke.
  • Die Größe des Brennstoffzellen-Stacks bestimmt die Leistung.
  • Die Größe des Kraftstoff-Reservoirs bestimmt die Betriebsdauer.

Der Geräuschpegel von Brennstoffzellen ist sehr niedrig, da sie selber über keinerlei bewegliche Teile verfügen. Lediglich Nebenaggregate wie Pumpen und Gebläse geben Geräusche von sich.

Die Platzierung von BSZ-Anlagen in unmittelbarer Nähe zum Verbraucher beispielsweise in Wohngebieten ist demzufolge kein Problem. Der geringe Anteil bewegter Komponenten hat zudem den Vorteil eines geringen Wartungsbedarfes.