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Brennstoffzelle

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. Durch diesen Ladungsunterschied entsteht eine Spannung zwischen der Anode und der Kathode. 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.
Die Brennstoffzelle 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 verschiedene Brennstoffzellentypen.
Name Elektrolyt Arbeitstemperaturin °C Reaktionsgase Alkalische Brennstoffzelle(AFC) Alkalilauge 70 - 100 H2 + O2 (hochrein) Membranbrennstoffzelle(PEM) Polymermembran 50 - 100 H2 + Luftsauerstoff Phosphorsaure BSZ(PAFC) Stabilisierte Phosphorsäure 160 - 210 H2(reformiert aus Erdgas)Luftsauerstoff Schmelzkarbonat- BSZ(MCFC) Schmelzkarbonatlösung 650 H2 (interne Reformierung v. Erdgas)Luftsauerstoff Festoxid-BSZ(SOFC) Festkeramischer Elektrolyt 800 - 1000 H2 (interne Reformierung v. Erdgas)Luftsauerstoff
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.

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