Die Funktionsweise einer Brennstoffzelle

Die Frage, was in einer Brennstoffzelle passiert, kann knapp beantwortet werden - die Elektrolyse wird umgekehrt. Bei der Elektrolyse wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom aufgespalten in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2). In einer Brennstoffzelle kehrt sich dieser Vorgang um. Obwohl es verschiedene Arten von Brennstoffzellen gibt, ist das Grundprinzip der Reaktion immer in etwa das gleiche.

Wasserstoff (H2) ist von sich aus bestrebt, zusammen mit Sauerstoff (O2) zu Wasser (H2O) zu reagieren. Dazu bedarf es keiner externen Energiezufuhr. Stattdessen findet eine chemische Umwandlung statt, bei der ein Teil der Reaktionsenergie als elektrische Energie abgegeben wird. Diese Fähigkeit der Brennstoffzelle chemisch gespeicherte Energie direkt und ohne Zwischenschritte (Umwandlung in thermische und kinetische Energie) in Strom umwandeln zu können zeichnet diese Technologie aus. Im folgenden soll die Funktionsweise anhand einer PEM-Brennstoffzelle (Polymer Elektrolyt Membran Brennstoffzelle) erläutert werden.

Eine Brennstoffzelle besteht im wesentlichen aus drei Teilen, der Anode (Pluspol), der Kathode (Minuspol), und der diese zwei Elektroden räumlich voneinander trennenden Membran. Kern einer PEM-Brennstoffzelle ist eine aus einer dünnen Kunststofffolie bestehende Membran. Diese ist für Protonen einseitig durchlässig. Auf die Kunststofffolie ist eine hauchdünne Katalysatorschicht, zumeist aus Platin, aufgetragen. Fixiert wird dieser Aufbau durch sogenannte Bipolarplatten, in die feine Kanäle gefräst sind. Durch die Kanäle werden die Ausgangsstoffe Wasser- und Sauerstoff sowie das Endprodukt Wasserdampf geleitet. Verbunden sind beide Seiten der Membran über einen äußeren Stromkreis.

Auf Seite der Anode wird nun Wasserstoff zugeführt, der dort unter dem Einfluss der Katalysatorschicht in seine Bestandteile – Wasserstoff-Protonen und Elektronen – gespalten wird.
An der Kathode wird kontinuierlich Sauerstoff in Form von Luft zugeführt. Die Molekülestruktur des Sauerstoffs bricht unter dem Einfluss der Katalysatorschicht in negativ geladene Sauerstoff-Ionen auf.
Die ionisierten Wasserstoff-Protonen können aufgrund der Eigenschaft der Membran durch diese auf die Kathodenseite wandern. Den Elektronen ist das Durchdringen der Membran nicht möglich. Es bildet sich somit auf der Anodenseite ein Überschuss und auf der Kathodenseite ein Mangel an Elektronen. Um dieses Ungleichgewicht auszugleichen wandern die überschüssigen Elektronen über den einzig möglichen Weg zur Kathode – über den angelegten äußeren Stromkreis. Hierdurch entsteht ein Elektronenfluss der dazu führt, daß zwischen Anode und Kathode ein Strom anliegt.
Auf der Kathodenseite befinden sich nun Wasserstoff und Sauerstoffatome. Diese reagieren zu Wassermolekülen (H2O) der in Form von Wasserdampf entweicht.

Neben den Endprodukten Wasser und Strom entsteht durch die Reaktion ebenfalls Wärme, die zur Beheizung, als Prozesswärme oder zur Kälteerzeugung genutzt werden kann.