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Versuch zur Leistung einer Brennstoffzelle

Prinzip einer Brennstoffzelle

Abb.1
Brennstoffzelle mit Wasserstoff- und Sauerstoff-Tank sowie einem Ventilator als Verbraucher
h-tec Wasserstoff-Energie-Systeme GmbH

Einfacher Versuchsaufbau: Die Tanks (links) versorgen die Brennstoffzelle (Mitte) mit Wasserstoff und Sauerstoff. Der Strom, den die Brennstoffzelle produziert, treibt den Ventilator (rechts) an.

Brennstoffzellen wandeln Energie, die in chemischen Verbindungen gespeichert ist, direkt in elektrische Energie um.1) Dies geschieht, indem einerseits der Brennstoff - Wasserstoff, gasförmige Kohlenwasserstoffe oder Alkohole - oxidiert und andererseits Sauerstoff reduziert wird. Diese beiden Prozesse finden räumlich getrennt statt. Die dabei übertragenen Elektronen werden als elektrischer Strom genutzt, um damit Verbraucher wie einen Ventilator oder eine Glühbirne zu betreiben.

Brennstoffzelle - Galvani'sche Zelle zwischen primärer und sekundärer Batterie

Bei einer Brennstoffzelle handelt es sich um eine Galvani'sche Zelle, der so lange elektrische Energie entnommen werden kann, wie kontinuierlich genügend elektrochemisch aktive Stoffe zugeführt wird, also Brennstoff und Oxidationsmittel.

Brennstoffzellen2) können über austauschbare Speicher oder kontinuierlich betriebenen Quellen (z.B. Elektrolyseure oder das Erdgasnetz) mit Brennstoff versorgt werden. Da es sich dabei um externe, quasi nicht versiegende Quellen handelt, ist es sinnvoll, sie nicht in die Gruppe der klassischen Primärelemente (primäre Batterie) einzuordnen, sondern in eine eigenständige Gruppe Galvani'scher Zellen.

Brennstoffzellen können höhere Wirkungsgrade erzielen als Wärmekraftmaschinen

Abb.2
Vergleich des Wirkungsgrads einer Wärmekraftmaschine mit dem einer Brennstoffzelle
Mit freundlicher Genehmigung der ACT - Austrian Clean Technology

Erzeugt man Strom über eine Wärmekraftmaschine (links) ergibt sich ein idealer elektrischer Gesamtwirkungsgrad η el, ideal von nur 45%. 55% der Energie gehen in Form von Abwärme verloren. Eine Brennstoffzelle kann im Idealfall hingegen mehr als 80% der chemischen Energie in elektrische umwandeln.

Durch die direkte Entnahme der elektrischen Energie versucht man mit Brennstoffzellen höhere Wirkungsgrade zu erzielen als über den Umweg der Verbrennung, Dampferzeugung und mechanischen Energie. Theoretisch sind sie etwa doppelt so effizient, wie (Abb. 2) zeigt. Die Wirkungsgrade von Brennstoffzellen betragen heutzutage bereits bis zu 70%.

1)Die Energie, die in chemischen Verbindungen gespeichert ist, wird im Folgenden als chemische Energie bezeichnet.
2)Mit Brennstoffzelle wird streng genommen nur die Zelle ohne Brennstoff, Oxidationsmittel und Speicher bezeichnet. In kompletten Brennstoffzellen-Systemen können viele weitere Komponenten wie Membranbefeuchter und Gasaufbereitungsanlagen zum Einsatz kommen.
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