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Brennstoffzellen - Funktionsweise und Anwendungen

Schematisierter Aufbau einer Brennstoffzelle

Abb.1
Schematischer Aufbau einer Brennstoffzelle

(Abb. 1) zeigt den schematischen Aufbau einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle selber ist nur ein kleiner Teil der benötigten Anlage, die elektrischen Strom liefert. Nicht eingezeichnet sind die für die Brennstoffe erforderlichen Tanks, Pumpen und Leitungen sowie Hilfsaggregate für die Entfernung von Reaktionsprodukten wie Wasser aus der Zelle und zur Aufrechterhaltung eines Kühlkreislaufs, der bei hohen Stromdichten erforderlich ist.

Brennstoffe

Bewährt haben sich gasförmige Brennstoffe. Als Oxidationsmittel dient reines Sauerstoff-Gas oder auch Luft, als Reduktionsmittel Wasserstoff, Methan (CH4), Erdgas oder ein anderer Kohlenwasserstoff.

Es gibt auch Zellen, in denen flüssige Brennstoffe eingesetzt werden. Sie sind leichter zu konstruieren, da die Reaktionszone nur eine Flüssig-fest-Phasengrenze besitzt, statt einer Dreiphasengrenze (gasförmig-flüssig-fest). Der Sauerstoff wird durch Wasserstoffperoxid (H2O2) oder Salpetersäure (HNO3) ersetzt. Reduktionsmittel sind z.B. Methanol (CH3OH), Hydrazin (H2N-NH2) oder Ameisensäure (Methansäure, HCOOH).

Betriebstemperaturen von Brennstoffzellen

Es gibt Niedertemperatur-Brennstoffzellen mit Arbeitstemperaturen bis ca. 100°C. Mitteltemperatur-Brennstoffzellen arbeiten bei Temperaturen zwischen 100 und 250°C und Hochtemperatur-Brennstoffzellen bei Temperaturen zwischen 600 und 1.000°C.

Elektrolyte

In Niedertemperatur-Zellen dienen meist wässrige Säuren und Laugen (Alkalische Brennstoffzelle) oder eine feste Polymermembran (Membran-Brennstoffzelle), die Protonen leitet, als Elektrolyte.

In Mitteltemperatur-Zellen werden ebenfalls Protonen leitende Polymermembranen eingesetzt (Hochtemperatur-Membran-Brennstoffzelle1)), aber auch hochkonzentrierte Phosphorsäure (Phosphorsäure-Brennstoffzelle), die an eine Kunststoffträgermatrix gebunden ist.

In Hochtemperatur-Zellen werden Schmelzen aus Alkalicarbonaten als Elektrolyte verwendet (Carbonatschmelzen-Brennstoffzelle), die an einer Keramikträgermatrix fixiert sind. Außerdem wird ein fester Elektrolyt eingesetzt, der aus Zirconiumoxid-Keramik besteht (Oxidkeramische Brennstoffzelle), die mit Yttrium stabilisiert wird.

Elektrodenmaterial

Als Elektrodenmaterialien nutzt man meist katalytisch aktive Metalle auf einem Trägermaterial, z.B. Platin auf Graphit.

1)Der Zusatz "Hochtemperatur" bezieht sich auf den Gegensatz zur einfachen Membran-Brennstoffzelle. Im Vergleich zu allen Brennstoffzellen-Arten zählt die Hochtemperatur-Membran-Brennstoffzelle allerdings zu den "Mitteltemperatur-Brennstoffzellen".
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