Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle ist ein Energiewandler, der die im Wasserstoff gespeicherte chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandeln kann. Doch wie genau funktioniert diese Umwandlung eigentlich?

Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle beruht auf der Umkehr der Elektrolyse, die als Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe des elektrischen Stroms aufgefasst werden kann. Wird dieser Elektrolytvorgang umgekehrt, entstehen bei der Vereinigung von Sauerstoff und Wasserstoff Wasser und Energie, was eben genau das Funktionsprinzip der Brenstoffzelle darstellt.

Die Brennstoffzelle besitzt als Elektroden eine Anode, auf deren Seite der Wasserstoff zugeführt wird, und eine Kathode, die durch einen Elektrolyten von der Anode getrennt ist. Auf der Seite der Kathode wird entsprechend der Sauerstoff zugeführt. Wasserstoff und Sauerstoff reagieren aber nur indirekt miteinander, da sie auch durch einen Elektrolyten, eine ionendurchlässige Polymermembran, getrennt sind. Der Elektrolyt ist ca. 0,1 mm dick und ähnelt einer Tageslichtprojektorfolie. Die Membran ist allerdings nur für Ionen, nämlich Protonen, nicht aber für Elektronen passierbar.

Der Wasserstoff an der Anode teilt sich nun durch die Anwesenheit eines Katalysators in Elektronen und Protonen, so dass eine Spannungsdifferenz zwischen Anode und Kathode besteht. Die freien Elektronen wandern nun als elektrischer Strom durch die Elektroden in den äußeren Stromkreislauf. Dadurch gelangt diese Energie zum Verbraucher. Beispielsweise kann so ein Elektromotor betrieben werden. Die Protonen diffundieren nun durch die Elektrolytmembran zur Kathode, wo sich bereits Sauerstoff mit den Elektronen zu Sauerstoff-Ionen vereinigt hat. Zusammen mit den Protonen reagieren die Sauerstoff-Ionen nun zu Wasser.

Da das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle auf der Vereinigung von Wasserstoff und Sauerstoff besteht, muss der Wasserstoff auch in irgendeiner Form gespeichert werden, um letztendlich der Brennstoffzelle zugeführt werden zu können. Zur Speicherung von Wasserstoff eignen sich Druckgasflaschen, wobei bei der Kompression etwa acht bis zwölf Prozent der Energie, die im Wasserstoff gespeichert ist, wieder verloren geht. Bei den Flüssigspeichern wird ca. zwanzig Prozent der Energie verbraucht. Als dritte Alternative bietet sich noch der Metallhydridspeicher an, wobei der Wasserstoff hier in den Lücken des Metallgitters eingelagert wird. Bei Erwärmung oder Druckänderung kann dieser dann wieder abgegeben werden.

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