Wasserstoff / Brennstoffzellen
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Das Grundprinzip der Brennstoffzelle


Die Brennstoffzelle kehrt den Prozess der aus dem Schulunterricht bekannten Elektrolyse um. Erinnern wir uns: bei der Elektrolyse wird Wasser mit Hilfe elektrischer Energie in die gasförmigen Bestandteile "Wasserstoff" und "Sauerstoff" zerlegt. Beide Gase können getrennt voneinander aufgefangen werden.

Die Brennstoffzelle nimmt genau diese beiden Stoffe "Wasserstoffgas" und "Sauerstoff" und wandelt sie wieder in Wasser. Dabei wird theoretisch die Menge elektrischer Energie wieder abgegeben, die bei der Elektrolyse zur Spaltung notwendig war. In der Praxis führen verschiedene physikalisch-chemische Prozesse und innere elektrische Widerstände zu geringfügigen Verlusten. Außerdem ist es einfacher, statt Sauerstoff einfach Luft zu verwenden. Der in der Luft enthaltene Sauerstoff reagiert dann mit dem Wasserstoff zu Wasser. Man kann also sagen, "wenn bei der Elektrolyse der Wasserstoff aufgefangen wird", wird elektrische Energie in Form von Wasserstoff gespeichert. Mit "Wasserstoff" haben wir also ein Gas, in dem wir Energie speichern können. Geben wir den Wasserstoff in eine Brennstoffzelle, so können wir damit die im Wasserstoff gespeicherte Energie in Form von elektrischem Strom zurück gewinnen. Und zwar genau zu dem Zeitpunkt, wenn wir den Strom benötigen.

Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen die sich in Aufbau und Funktionsweise unterscheiden. Exemplarisch soll anhand einer PEM-Brennstoffzelle (siehe auch PEM-Brennstoffzelle) das grundlegende Arbeitsprinzip der Brennstoffzelle beschrieben werden.

Befindet sich an der mit einem Katalysator belegten Anode Wasserstoff und an der Kathode Sauerstoff (Luft), läuft folgender Vorgang ab: Ein Wasserstoffmolekül (H2) wird unter Abgabe von zwei Elektronen in zwei Wasserstoffatome gespalten. Die entstandenen Wasserstoff-Ionen (H+, auch Protonen genannt) wandern durch den für sie durchlässigen Elektrolyten zur Kathode und oxidieren mit dem Sauerstoff zu Wasser. Damit Wasser entstehen kann, werden jene Elektronen benötigt, die vorher an der Anode abgegeben wurden. Der Elektrolyt stellt aber einen Isolator dar, durch den sich die Elektronen nicht bewegen können. Verbindet man nun die beiden Elektroden mit einem elektrischen Leiter, so wandern die Elektronen durch diesen von der Anode zur Kathode: es fließt ein nutzbarer, elektrischer Strom.

Dieser Prozess läuft kontinuierlich ab, solange ausreichend Wasserstoff und Sauerstoff an Anode und Kathode zur Verfügung stehen.