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Autoren
OldBo
03.03.2018
Das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle wurde bereits im Jahre 1839 von William Grove entdeckt und in einer "Wasserstoff-Sauerstoff-Batterie" realisiert. Die Entdeckung des Dynamoprinzips durch Werner von Siemens im Jahre 1866 verdrängte allerdings die Bedeutung der Brennstoffzelle für die Stromerzeugung.
Funktionsweise
 Funktionsweise
Quelle: Maxgym.musin
Betrachtung-Funktionsweise
 Betrachtung-Funktionsweise
Quelle: Vaillant Deutschland GmbH & Co. KG
Das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle wurde bereits im Jahre 1839 von William Grove entdeckt und in einer "Wasserstoff-Sauerstoff-Batterie" realisiert. Die Entdeckung des Dynamoprinzips durch Werner von Siemens im Jahre 1866 verdrängte allerdings die Bedeutung der Brennstoffzelle für die Stromerzeugung.

In einer Brennstoffzelle wird die Enthalpie* des Brennstoffes direkt in elektrische und thermische Energie umgewandelt. Damit werden Zwischenschritte bei der Energiewandlung vermieden und sie unterliegt nicht den Beschränkungen durch den Carnot-Wirkungsgrad**, was bei konventionellen Systemen der Fall ist.

Die Arbeitsweise einer Brennstoffzelle ist mit der Umkehrung der Elektrolyse des Wassers vergleichbar. Bei der Elektrolyse wird durch die Zufuhr von elektrischer Energie das Wassermolekül in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten,  in einer Brennstoffzelle reagieren H2 und O2 unter Abgabe von elektrischer und thermischer Energie zu Wasser.

Es gibt mehrere Typen von Brennstoffzellen. Alle Brennstoffzellen bestehen aus zwei Elektroden, einer Anode und einer Kathode, die durch einen gasundurchlässigen, protonenleitenden Elektrolyten voneinander getrennt sind. Die Elektroden besitzen eine poröse Struktur und sind damit gasdurchlässig.

Brennstoffzellentypen

  • PEM-FC > Proton Exchange Membrane Fuel Cell
  • SOFC > Solid Oxid Fuel Cell
  • AFC > Alkaline Fuel Cell
  • MCFC > Molton Carbonat Fuel Cell
  • DMFC > Direct Methanol Fuel Cell
  • PAFC > Phosphor Acid Fuel Cell

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. 5). 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. Quelle: maxgym.musin

Anmerkungen
*    Genauer die freie Enthalpie
** Genauer wird der Zwischenschritt nur  für den elektrischen Anteil vermieden. Für diesen gilt die Carnot-Oberschranke nicht. Für den thermischen Anteil gelten weiterhin die Obergrenzen des Carnot-Prozesses.  In Summe (elektrisch + thermisch) kann dann ein höherer Wirkungsgrad erreicht als der maximal mögliche eines Carnot-Prozesses mir reiner Verbrennung ohne direkte Umwandlung in elektrische Energie.
Brennstoffzellentypen

PEM-FC

Proton Exchange Membrane Fuel Cell

Elektrolyt

Polymermembran

Wirkungsgrad

60% (H2)
40% (CH4)

Anodengase

Wasserstoff
(Methanol)*
(Methan)*

* Wasserstoff wird über Reformierung erzeugt.

Anwendungen

Stromversorgung
Pkw/Bus
Hausversorgung
Blockheiz-kraftwerke

Temperatur

0-80 °C

Leistung

bis 250kW

Zusatz

CO-empfindlich

SOFC

Solid Oxid Fuel Cell

Elektrolyt

Zr(Y)O2

Wirkungsgrad

50-65%

Anodengase

Wasserstoff
Methan
Kohlegas

Anwendungen

Hausversorgung
Kleinkraftwerke

Temperatur

800-1000 °C

Zusatz

Keine Reformierung von
Brenngasen erforderlich

Leistung

10-25 kW

AFC

Alkaline Fuel Cell

Elektrolyt

Kalilauge (KOH)

Wirkungsgrad

60 %

Anodengase

reinster
Wasserstoff

Anwendungen

Raumfahrt
U-Boote

Temperatur

60-90 °C

Zusatz

CO2-empfindlich

Leistung

20 kW

MCFC

Molton Carbonat Fuel Cell

Elektrolyt

Alkalikarbonat-schmelzen

Wirkungsgrad

48-60 %

Anodengase

Wasserstoff
Methan
Kohlegas

Anwendungen

Blockheiz-kraftwerke
Kleinkraftwerke

Temperatur

650 °C

Zusatz

CO2 muss im Kreislauf der
Zelle geführt werden

Leistung

2,2 MW

DMFC

Direct Methanol Fuel Cell

Elektrolyt

Polymermembran

Wirkungsgrad

40%

Anodengase

Methanol

Temperatur

60-130 °C

Zusatz

vielversprechend da
H2-Erzeugung entfallen kann

PAFC

Phosphor Acid Fuel Cell

Elektrolyt

konz. H3PO4

Wirkungsgrad

40%

Anodengase

Wasserstoff
(Methan)*

* Wasserstoff wird über Reformierung erzeugt.

Anwendungen

Blockheizkraftwerke
Kleinkraftwerke

Temperatur

130-220 °C

Leistung

11 MW

Zusatz

schwach
CO-empfindlich

Quelle: Die Brennstoffzelle.de

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