Funktionsweise
Quelle: Maxgym.musin
Betrachtung-Funktionsweise
Brennstoffzellen-Stack
Das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle wurde bereits im Jahre 1839 von William Grove erkannt 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 zunächst völlig.
In einer Brennstoffzelle wird die Enthalpie* des Brennstoffes direkt in elektrische und thermische Energie gewandelt. Sie vermeidet damit Zwischenschritte bei der Energiewandlung und unterliegt nicht den Beschränkungen durch den Carnot-Wirkungsgrad**, wie dies bei konventionellen Systemen der Fall ist.
Die Arbeitsweise einer Brennstoffzelle ist mit der Umkehrung der Elektrolyse des Wassers vergleichbar. Während bei der Elektrolyse durch Zufuhr von elektrischer Energie das Wassermolekül in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird, reagieren in einer Brennstoffzelle H2 und O2 unter Abgabe von elektrischer und thermischer Energie zu Wasser.
Es gibt mehrere Typen von Brennstoffzellen. Unabhängig vom Typ besteht eine Brennstoffzelle aus zwei Elektroden, einer Anode und einer Kathode, die durch einen gasundurchlässigen, protonenleitenden Elektrolyten voneinander getrennt sind. Die Elektroden hingegen besitzen eine poröse Struktur und sind damit gasdurchlässig.
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. 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
        •   SOFC > Solid Oxid Fuel Cell
        •   AFC > Alkaline Fuel Cell
        •   MCFC > Molton Carbonat Fuel Cell
        •   DMFC > Direct Methanol Fuel Cell
        •   PAFC > Phosphor Acid Fuel Cell

Klein-Brennstoffzelle
Klein-Brennstoffzelle
Quelle: SFC Energy AG
Diese Brennstoffzelle wurden für eine zuverlässige alternative Stromversorgung von mobilen und portablen Anwendungen im Leistungsbereich bis 90 W entwickelt. Es gibt drei Modelle mit einer Ladekapazität von 600 bis 2160 Wh pro Tag. Bei einem höheren Bedarf können mehrer kombiniert werden.

In der Brennstoffzelle wird chemische Energie ohne Zwischenschritte, ohne bewegte Teile und ohne große Wirkungsgradverluste in elektrische Energie umgewandelt.

 
EFOY Brennstoffzellen - SFC Energy AG
Das Strom erzeugende Herzstück der Brennstoffzellen ist der Stack (engl. Stapel). Er besteht aus einzelnen Zellen, die jeweils aus Anode, Kathode und einer Membran aufgebaut sind, die als Elektrolyt Anode und Kathode voneinander trennt. Durch die Membran können positiv geladene elektrische Teilchen, die Protonen, diffundieren. Auf der Seite der Anode werden Wasser und Methanol zugeführt, auf der Seite der Kathode Sauerstoff aus der Umgebungsluft. In der Reaktion an der Anode entstehen H+-Ionen und freie Elektronen, sowie als Reaktionsprodukt Kohlendioxid (CO2). Die Protonen können die Membran durchqueren, die Elektronen müssen über einen angeschlossenen Stromkreis auf die Kathodenseite wandern und erzeugen dabei Strom. An der Kathode entsteht aus den H+-Ionen, dem Luftsauerstoff und den Elektronen Wasserdampf. Quelle: SFC Energy AG
Funktionsprinzip
Quelle: SFC Energy AG
Brennstoffzelle - dieBrennstoffzelle.de
 
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