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Funktionsweise der Brennstoffzelle

29.06.2007 (JB) Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umwandelt. Im Sprachgebrauch steht Brennstoffzelle meist für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Eine Brennstoffzelle ist kein Energiespeicher, sondern nur ein Wandler. Die Energie wird mit den Brennstoffen in einem Tank gespeichert. Zusammen mit einem Brennstoffspeicher kann die Brennstoffzelle einen Akkumulator ersetzen, wodurch ein deutlich niedrigeres und günstigeres Leistungsgewicht erreicht werden kann.

Hintergrundinfo

Die Gewinnung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern erfolgt heute zumeist durch Verbrennung in einer Wärmekraftmaschine (Ottomotor, Dieselmotor) in Verbindung mit einem Generator und zwar über den Umweg der thermischen und der Bewegungsenergie. Bei so einem (herkömmlichen) Motor wird also ein Brennstoff zur Explosion gebracht. Dabei entsteht zum einen unnötige Wärme, und zum anderen nur ein sehr kleiner Bewegungsenergieteil.

Der Unterschied

Die Brennstoffzelle ist geeignet, die Umformung ohne Umweg zu erreichen und damit potenziell effizienter zu sein. Weiterhin sind Brennstoffzellen im Vergleich zum System "Wärmekraftmaschine - Generator" einfacher aufgebaut und können zuverlässiger und abnutzungsfester als diese sein. Besonders interessant ist dabei die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Im folgenden ein Chema, weitere Erläuterungen zur wahrlich phantastischen Funktionsweise z.B. einer PEM Brennstoffzelle (Polymer-Elektrolyt-Membran) folgen hier (evtl.) noch.....

Chema einer Brennstoffzelle

Bild oben; die chemische Funktionsweise einer Brennstoffzelle. Brennstoffzellen werden bereits als Energiewandler in der Raumfahrt (Apollo, Space Shuttle) und für U-Boot-Antriebe verwendet. Eine breite gesellschaftliche Akzeptanz dieser Technologie ist gegeben und nach und nach kommen bereits Produkte auf den Markt. Bei einer Reihe von Problemen für kleinere Antriebe wie beim PKW ist noch nicht abzusehen, wann diese gelöst werden können. Einige Hersteller berichten von Problemen bei der Wasserstoffspeicherung.

Zusammenfassung

Bei einer Brennstoffzelle handelt es sich um ein "Gerät" welches generell mechanisch sehr einfach aufgebaut ist. Sie kommt völlig ohne Bewegliche Teile aus. Freilich gibt es verschiedene Typen von Brennstoffzellen, vom Grundsatz her wird einer Brennstoffzelle lediglich ein Gas unter Zuführung von Sauerstoff zugeführt. Diese "verbrennt" nun dieses Gas, und erzeugt dabei im wesentlichen elektrischen Strom. Bei der Verbrennung handelt es sich nicht um eine der bekannten Verbrennungen mit offener Flamme. Es handet sich vielmehr um eine chemische Verbrennung, eine chemische Reaktion. Die PEM Zelle z.B. benötigt Wasserstoff (und ggf. Sauerstoff) als Gase, diese Werden zu Wasser umgewandelt, und es wird bei diesem Prozeß elektrischer Strom erzeugt. Eine solche Brennstoffzelle ist somit 100% umweltfreundlich.

Etwas detaillierter...

Eine Brennstoffzelle besteht aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen liegenden Trennschicht, dem Elektrolyten. An der Anode wird der Wasserstoff oxidiert (Elektronenüberschuß), an der Kathode (Elektronenmangel) werden die Protonen mit dem Sauerstoff zu Wasser umgesetzt. Werden die beiden Elektroden nun mit einem elektrischen Leiter verbunden, fließt Strom. Der gesamte Vorgang muss kontinuierlich ablaufen, d.h. es müssen ständig der Brennstoff Wasserstoff und Sauerstoff den jeweiligen Elektroden zugeführt werden.

Ergänzende Links