Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen Teil 9.1

Teil 9.1 | GrundsÀtzliche Funktionsweise

Die Frage „Was passiert eigentlich in einer Brennstoffzelle?“ kann ganz knapp beantwortet werden:

Die Elektrolyse wird umgekehrt.

Bei der Elektrolyse wird Wasser (H2O) mithilfe von Strom in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gespalten. Die Elektrolyse wurde beim Thema Wasserstoffherstellung in Kapitel 4 beschrieben. Dort wird von der Auftrennung (Spaltung) von Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gesprochen. Wird dieser Vorgang umgekehrt, entstehen bei der Vereinigung von Wasserstoff und Sauerstoff nur Strom, WĂ€rme und Wasser.

Wasserstoff ist von sich aus bestrebt, zusammen mit Sauerstoff zu Wasser zu reagieren. Dabei wird Energie abgegeben (exotherme Reaktion). Wenn genau zwei Teile Wasserstoff ungesteuert mit einem Teil Sauerstoff reagieren, wird diese Reaktion auch als Knallgasreaktion bezeichnet. Vielen ist dieser Prozess aus dem Schulunterricht vertraut, weil er dort hÀufig anhand eines lauten Knalles veranschaulicht wird und dadurch besonders gut in Erinnerung bleibt.

Im Inneren einer Brennstoffzelle befindet sich keine ZĂŒndquelle. Da Wasserstoff und Sauerstoff durch einen Elektrolyten voneinander getrennt sind, reagieren beide Gase nur indirekt miteinander. Es gibt keinen Knall und auch keine Flamme – die Oxidation verlĂ€uft unsichtbar. Weil zudem die Reaktionstemperatur vergleichsweise niedrig liegt, spricht man auch von einer kalten Verbrennung.

Ebenso wie es verschiedene Formen der Elektrolyse gibt, gibt es unterschiedliche Brennstoffzellentypen. Sie unterscheiden sich hinsichtlich des Elektrolytmaterials, der Arbeitstemperatur und der Anwendungsbereiche. Bei dem in Abbildung 34 dargestellten Schema handelt es sich um eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEM), wobei PEM gleichzeitig auch fĂŒr die englische Bezeichnung Proton Exchange Membrane (Protonenaustauschmembran) steht. Die PEM-Brennstoffzelle ist zurzeit die am weitesten verbreitete Variante. Deswegen wird sie an dieser Stelle exemplarisch fĂŒr alle andere beschrieben. Sie ist die Umkehrung der PEM-Elektrolyse.

Abb. 34: Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle
2. Auflage, S. 134, Abb. 32

Das Herz einer PEM-Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, der Anode (Pluspol) und der Kathode (Minuspol), die durch eine ionendurchlĂ€ssige Polymermembran, den Elektrolyten, getrennt sind. Dieser Elektrolyt Ă€hnelt vom Aussehen einer Folie fĂŒr Overhead-Projektoren.

Die Membran ist gasdicht, so dass Wasserstoff und Sauerstoff nicht direkt miteinander reagieren können. Außerdem ist sie fĂŒr Elektronen nicht passierbar, also elektrisch isolierend. FĂŒr Protonen (Wasserstoffionen) ist sie dagegen durchlĂ€ssig, obwohl diese grĂ¶ĂŸer sind als die Elektronen. Als Elektrolytmaterialien kommen wegen des aggressiven sauren Milieus nur wenige Materialien in Frage, was einen vergleichsweise hohen Materialpreis zur Folge hat.

Die Elektroden weisen eine hohe PorositĂ€t auf, damit eine große OberflĂ€che fĂŒr die elektrochemischen Umsetzungen zur VerfĂŒgung steht. Sie sind mit einer dĂŒnnen, katalytisch wirkenden Edelmetallschicht ĂŒberzogen. Als Katalysatormaterialien werden meist Platin oder Platinlegierungen verwendet, da die Membran stark sauren Charakter aufweist (vergleichbar mit SchwefelsĂ€ure) und niederwertige Metalle angreifen wĂŒrde.

Die Reaktionsmedien werden durch Graphitplatten (Bipolarplatten) zugefĂŒhrt, in die feine GĂ€nge gefrĂ€st oder gestanzt sind. Durch diese GĂ€nge, das sogenannte Flow-field, wird auf der einen Seite Wasserstoff und auf der anderen Seite Luft beziehungsweise Sauerstoff zugefĂŒhrt. Auf der Anodenseite muss die Membran befeuchtet und auf der Kathodenseite das Reaktionsprodukt Wasser entfernt werden. Gleichzeitig muss die WĂ€rme aus dem Stapel abgefĂŒhrt und so weit wie möglich nutzbar gemacht werden. Außerdem muss der erzeugte Strom ohne nennenswerte Verluste abgeleitet werden.

Abb. 35: Medienzufuhr und -abfuhr an einer einzelnen Brennstoffzelle
2. Auflage, S. 136, Abb. 33

Der an der Anode zugefĂŒhrte Wasserstoff teilt sich mithilfe des Katalysators in Elektronen (negative LadungstrĂ€ger) und Protonen (positive Wasserstoffionen). Die Protonen diffundieren durch die Elektrolytmembran zur Kathode. Die negativ geladenen Elektrolytionen (Anionen) leiten das positive Wasserstoffion (Kation) weiter, wobei die Ionen selbst ortsfest bleiben. Die negativen Elektronen hingegen werden von den Anionen abgestoßen. Sie können daher die Elektrolytmembran nicht passieren.

Zwischen Kathode und Anode baut sich so eine Spannung (Potenzialunterschied) auf: An der Kathode sammeln sich die Protonen, an der Anode die Elektronen. Verbindet man diese beiden Elektroden nun mit einem Leiter, fließen die Elektronen durch diesen außen um die Einzelzelle herum von der Anode zur Kathode – es fließt Strom. Schaltet man einen Verbraucher (z. B. einen Elektromotor) in den Ă€ußeren Stromkreis zwischen die beiden Elektroden, wird dieser angetrieben.

An der Kathode angekommen rekombinieren schließlich die O2-Ionen aus der Luft, die Elektronen aus dem Stromkreislauf sowie die durch die Membran diffundierten Protonen zu Wasserdampf. Dabei geben sie WĂ€rme ab. Die Endprodukte der elektrochemischen VorgĂ€nge in einer Brennstoffzelle sind demnach Gleichstrom, WĂ€rme und Wasser beziehungsweise Wasserdampf.

Jede einzelne Brennstoffzelle erzeugt je nach Bauart unter Last etwa 0,7 Volt, die maximale Spannung liegt etwa bei 1,2 Volt. Die StromstĂ€rke hĂ€ngt von der FlĂ€che der Zelle ab und unterscheidet sich auch etwas je nach Brennstoffzellentyp. Die GrĂ¶ĂŸenordnung liegt um 1 Ampere pro cm2, so dass sich bei einer 10 x 10 cm großen Zelle ein Strom um 100 Ampere und eine Leistung um etwa 100 Watt ergibt. Erst viele in Reihe geschaltete Zellen, die gemeinsam als Stacks (engl. Stapel) bezeichnet werden, liefern eine fĂŒr grĂ¶ĂŸere Anwendungen brauchbare Spannung und Leistung. Ein Stack kann bis zu 200 dicht aneinander liegende Brennstoffzellen enthalten. FĂŒr sie gilt:

  • Die Anzahl der Zellen innerhalb des Stacks bestimmt die Spannung.
  • Die GrĂ¶ĂŸe der MembranflĂ€che bestimmt die StromstĂ€rke.
  • Die GrĂ¶ĂŸe des Brennstoffzellen-Stacks bestimmt die Leistung.
  • Die GrĂ¶ĂŸe des Brennstoffreservoirs bestimmt die Betriebsdauer.

Abb. 36: BZ-Stacks bestehen aus vielen Einzelzellen
Stacks.jpg
Quelle: Proton Motor

Im Gegensatz zum Stromnetz liefert die Brennstoffzelle also zunĂ€chst Gleichstrom, der obendrein noch eine niedrige Spannung und eine hohe StromstĂ€rke hat. Damit dieser von handelsĂŒblichen GerĂ€ten genutzt oder ins Netz eingespeist werden kann, muss er mit einem Wechselrichter in Wechselstrom (in Europa: 230 Volt, 50 Hz) umgewandelt werden. Moderne Wechselrichter erfĂŒllen dabei auch verschiedene SicherheitsansprĂŒche sowohl fĂŒr das Stromnetz als auch fĂŒr das lokale Hausnetz.

Der GerĂ€uschpegel von Brennstoffzellen ist sehr niedrig, da sie selbst ĂŒber keinerlei bewegliche Teile verfĂŒgen. Lediglich Nebenaggregate wie Pumpen und GeblĂ€se erzeugen GerĂ€uschemissionen. Die Platzierung von BZ-Anlagen in unmittelbarer NĂ€he des Verbrauchers ist demzufolge kein Problem. Der geringe Anteil bewegter Komponenten bietet zudem den Vorteil eines geringen Wartungsbedarfs. Auf der Kathodenseite kann es jedoch durch den anwesenden Sauerstoff zu Oxidationserscheinungen kommen, die die Lebensdauer negativ beeinflussen.

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

Die Technik von gestern, heute und morgen

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen. Bewusst leicht verstÀndlich gehalten und beschrieben. Es soll technikinteressierten als ein umfangreiches Literaturverzeichnis dienen.

Die grundlegend ĂŒberarbeitete Neuauflage unseres Buches zu diesem Thema ist hier erhĂ€ltlich. Aktuelle Entwicklungen wurden ergĂ€nzt, Überholtes entfernt. Neben den jĂŒngsten Trends vermittelt dieses Buch – wie schon seine VorgĂ€nger – die grundlegenden physikalischen ZusammenhĂ€nge, denn diese gelten ja bei allem Wandel nach wie vor.

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