Die Brennstoffzelle benötigt neben Sauerstoff auch Wasserstoff für die elektrochemische Reaktion. Wasserstoff ist ein relativ teures Gas, weil es kein Rohstoff ist. Es muss erst aus anderen Substanzen gewonnen werden. Auf der Erde ist der größte Teil des Wasserstoffs in Wasser gebunden (H2O). Ungebunden bildet er zweiatomige Moleküle (H2) und ist dann ein farb- und geruchloses Gas.
Wasserstoff kann zum Beispiel aus Erdgas oder durch Elektrolyse von Wasser gewonnen werden.
Die negative Elektrode wird als Anode bezeichnet. Sie ist mit einem Katalysator beschichtet. Die Anode wird mit Wasserstoff umspült. Die Wasserstoffmoleküle oxidieren daran unter Abgabe von Elektronen zu positiv geladenen Wasserstoff-Ionen. Diese diffundieren dann durch den Elektrolyten zur Kathode. Die Elektronen werden an den äußeren Stromkreis abgegeben und wandern ebenfalls zur Kathode.
Der Elektrolyt ist ein Ionen-Leiter, d.h. er leitet Ionen, aber keine freien Elektronen. Er befindet sich zwischen den beiden Elektroden und ermöglicht den Wasserstoff-Ionen, zur Kathode zu gelangen. Gleichzeitig bewirkt er als eine Art Sperrschicht, dass sich die beiden Gase – Sauerstoff und Wasserstoff – nicht mischen. Auf Grund der verschiedenen Materialien, die für den Ionen leitenden Elektrolyten
verwendet werden, unterscheidet man die unterschiedlichen Brennstoffzellentypen. Bei der PEM-Brennstoffzelle besteht der Elektrolyt aus einer Polymer-Membran.
Die Brennstoffzelle benötigt neben Wasserstoff auch Sauerstoff für die elektrochemische Reaktion. Sauerstoff ist ein relativ teures Gas, weil es kein Rohstoff ist. Es muss erst aus anderen Substanzen gewonnen werden. Die meisten Brennstoffzellen stellen zum Glück nicht so hohe Ansprüche an die Reinheit des Sauerstoffes. Sie funktionieren anstelle von reinem Sauerstoff auch mit normaler Luft.
Die positive Elektrode wird als Kathode bezeichnet. Sie ist mit einem Katalysator beschichtet. Die Kathode wird mit dem Oxidationsmittel Sauerstoff umspült. Die zur Kathode diffundierten Wasserstoff-Ionen reagieren mit dem Sauerstoff und den von der Anode zugeführten Elektronen zu Wasser.
Eine PEM-Brennstoffzelle benötigt chemische Energie, um elektrische Energie zu erzeugen. Daher wird Wasserstoff zur Anode der Brennstoffzelle geleitet. Die Anode ist mit einem Katalysator beschichtet. Dieser sorgt dafür, dass sich ein Wasserstoffmolekül in zwei Wasserstoff-Ionen aufspaltet. Dabei gibt jedes Wasserstoffatom ein Elektron ab.
Die positiv geladenen Wasserstoff-Ionen (H+) diffundieren durch den Elektrolyten zur Kathode. Der Elektrolyt lässt nur die Wasserstoff-Ionen passieren und ist für die Elektronen undurchlässig.
Aufgrund des Potenzialunterschiedes, der durch die Ionenwanderung zwischen den Elektroden entsteht, wandern die Elektronen über einen elektrischen Leiter von der Anode zur Kathode. Dabei wird Gleichstrom erzeugt, der zukünftig zum Beispiel für den Betrieb von Autos oder Laptops verwendet werden könnte. Zeitgleich wird Sauerstoff zur Kathode der Brennstoffzelle geleitet. Diese ist mit einem Katalysator beschichtet. Daher teilen sich die Sauerstoffmoleküle in Sauerstoffatome und lagern sich an der Kathode an. Dabei nehmen die Sauerstoffatome jeweils zwei Elektronen auf und werden zu zweifach negativ geladenen Sauerstoff-Ionen (O2-), die sich mit den positiv geladenen Wasserstoff-Ionen (H+) zu Wasser (H2O) vereinigen.
Die Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Energieumwandler. Sie erzeugt direkt aus chemischer Energie elektrische Energie und kommt dabei ganz ohne Turbine und Generator aus. Es gibt verschiedene Typen von Brennstoffzellen. Im Prinzip bestehen jedoch alle Brennstoffzellen aus zwei Elektroden – einer Anode und einer Kathode – die durch einen Elektrolyt voneinander getrennt sind. An die Elektroden werden Brennstoffe herangeführt.
Der Katalysator an den Elektroden wandelt die Moleküle der Brennstoffe in Ionen um. Die Oxidation an der Anode lässt dabei freie Elektronen entstehen, die Reduktion des Brennstoffes auf Seiten der Kathode benötigt gleichzeitig freie Elektronen. Damit elektrochemische Prozesse in der Brennstoffzelle ablaufen können, werden die entstehenden freien Elektronen über einen externen Stromkreis von der Anode zur Kathode geleitet. Die entstehende Reaktionswärme kann über einen Wärmetauscher zur Heizung eines Hauses oder zur Erwärmung von Wasser genutzt werden.
Starten Sie jetzt die Animation und erfahren Sie im Detail, wie eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle funktioniert.