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Die Funktion der Brennstoffzelle (BZ)
Brennstoffzellen sind elektrochemische Stromerzeuger, die ohne den Umweg über die Wärme, direkt aus einer chemischen
Verbindung, Elektrizität erzeugen. Sie können auch als gasbetriebene Batterien, die durch kalte, elektrochemische Verbrennung
eines Gases - in der Regel Wasserstoff- Gleichspannungsenergie erzeugen bezeichnet werden. [2]
Die Technologie der BZ basiert auf der Umkehrung der elektrolytischen Zersetzung des Wassers. Während bei der
Wasserelektrolyse durch einen Stromfluß die Gase Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gebildet werden, dreht sich diese
Reaktion bei der BZ um:
Summe: 2 H2 + O2 -> 2 H2O
Diese Gesamtreaktion wird in der BZ in zwei Einzelreaktionen getrennt, welche separat an den beiden Elektroden erfolgen. An
der Anode wird der Wasserstoff zu Protonen oxidiert:
Anode: 2 H2 -> 4 H+ + 4 e-
während an der Kathode der Sauerstoff umgesetzt wird:
Kathode: O2 + 4 H+ + 4 e- -> 2 H2O
An der Kathode herrscht also Elektronenmangel und an der Anode Elektronenüberschuß. Verbindet man nun die beiden Elektroden
mit einem elektrischen Leiter, so fließt ein elektrischer Strom. Auf Grund der Trennung der beiden Reaktionen kann der
Elektronenübergang nur durch einen äußeren Leiterkreis erfolgen. Dies ist in dem Schema (Abbildung 1) dargestellt. Die BZ
besteht demzufolge aus zwei Elektroden, die mit Wasserstoff bzw. mit Sauerstoff versorgt werden müssen und einer
dazwischenliegenden Trennschicht, dem Elektrolyten. Dieser Elektrolyt ist notwendig, damit sich die Gase nicht mischen und
nicht in direkten Kontakt treten können. Er ist gewöhnlich flüssig oder halbflüssig. Auf Grund der verschiedenen Materialien,
die für den ionenleitenden Elektrolyten verwendet werden, unterscheidet man unterschiedliche BZ-typen. Bei der hier
verwendeten BZ handelt es sich um eine sogenannte Membranbrennstoffzelle (engl. Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEM), bei der
ein wassergequollenes, ionenleitendes Polymer als Elektrolyt dient.
Neben der geringen Schadstoffemission haben Brennstoffzellen des weiteren den Vorteil eines extrem hohen
Verstromungswirkungsgrades von 40-65%. Die erzielbaren Wirkungsgrade liegen damit deutlich höher als die von konkurrierenden
Techniken wie Ottomotoren (10-20%), Dieselmotoren (20-35%) und Gasturbinen (15-40%). Des weiteren erlaubt die
Aneinanderreihung von mehreren einzelnen Brennstoffzellen (\"Einzeller\") einen modularen Aufbau (\"Stacks\").
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