BrennstoffzelleEine Brennstoffzelle ist ein Energieumwandlungsgerät, das die elektrochemische Energie eines Brennstoffs in elektrische Energie umwandelt. Sie wird als Brennstoffzelle bezeichnet, da sie zusammen mit einer Batterie ein elektrochemisches Stromerzeugungsgerät darstellt. Eine Brennstoffzelle, die Wasserstoff als Brennstoff verwendet, ist eine Wasserstoff-Brennstoffzelle. Die Wasserstoff-Brennstoffzelle basiert auf der Reaktion der Wasserelektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff. Dieser Reaktionsprozess ist sauber und effizient. Im Gegensatz zu herkömmlichen Automobilmotoren, die einen thermischen Wirkungsgrad von 42 % gemäß dem Carnot-Zyklus erreichen, kann die Wasserstoff-Brennstoffzelle einen Wirkungsgrad von über 60 % erzielen.
Anders als Raketen erzeugen Wasserstoff-Brennstoffzellen kinetische Energie durch die heftige Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff und setzen dabei die Gibbs-Energie des Wasserstoffs mithilfe von Katalysatoren frei. Die Gibbs-Energie ist eine elektrochemische Energieform, die unter anderem die Entropie berücksichtigt. Das Funktionsprinzip einer Wasserstoff-Brennstoffzelle beruht darauf, dass Wasserstoff durch den Katalysator (Platin) an der positiven Elektrode in Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen gespalten wird. Die Wasserstoffionen wandern durch die Protonenaustauschmembran zur negativen Elektrode, wo Sauerstoff zu Wasser und Wärme reagiert. Die dabei entstehenden Elektronen fließen über den externen Stromkreis von der positiven zur negativen Elektrode und erzeugen so elektrische Energie.
ImBrennstoffzellenstapelDabei findet die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff statt, wobei ein Ladungstransfer stattfindet, der einen Stromfluss erzeugt. Gleichzeitig reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser.
Als chemisches Reaktionsbecken ist die Protonenaustauschmembran (PEM) der Kern der Brennstoffzellentechnologie. Die beiden Seiten der Membran liegen nahe an der Katalysatorschicht, um Wasserstoff in geladene Ionen zu spalten. Da das Wasserstoffmolekül klein ist, können die Elektronen, die den Wasserstoff transportieren, durch die winzigen Poren der Membran diffundieren. Dabei werden den Wasserstoffmolekülen jedoch Elektronen entzogen, sodass nur die positiv geladenen Protonen die Membran durchdringen können.
WasserstoffprotonenDie Elektronen werden von der Elektrode auf der anderen Seite des Films angezogen und verbinden sich mit Sauerstoffmolekülen. Die Elektrodenplatten auf beiden Seiten des Films spalten Wasserstoff in positive Wasserstoffionen und Elektronen und Sauerstoff in Sauerstoffatome, um Elektronen einzufangen und diese in Sauerstoffionen (negative Ladung) umzuwandeln. Zwischen den Elektrodenplatten fließt ein Elektronenstrom, und zwei Wasserstoffionen sowie ein Sauerstoffion verbinden sich zu Wasser, dem einzigen „Abfallprodukt“ der Reaktion. Im Wesentlichen handelt es sich bei dem gesamten Vorgang um einen Stromerzeugungsprozess. Mit fortschreitender Oxidationsreaktion werden kontinuierlich Elektronen übertragen, um den zum Antrieb des Fahrzeugs benötigten Strom zu erzeugen.
Veröffentlichungsdatum: 12. Februar 2022