Der direkte Weg ist der effektivste... - scinexx | Das Wissensmagazin
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Das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle

Der direkte Weg ist der effektivste…

Der konventionelle Weg vom Energierohstoff zum Strom ist lang und umständlich – zumindestens in energetischer Hinsicht. Bei der heute üblichen Stromproduktion über Wärmekraftmaschinen wird zunächst die in den Ausgangsstoffen Kohle, Erdöl oder Erdgas gespeicherte chemische Energie in Wärme umgewandelt. Diese verwandelt Wasser in Dampf und treibt Turbinen an – aus Wärmeenergie wird mechanische Energie. Erst im nächsten Schritt überträgt die Turbine ihre Bewegung auf einen Generator und erzeugt Strom – die mechanische wird zu elektrischer Energie.

Im Laufe dieser zahlreichen Umwandlungen geht enorm viel Energie verloren, der Wirkungsgrad von solchen Kraftwerken liegt daher bei durchschnittlich 32 Prozent. Auch Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen erreichen meist nur eine nutzbare Energieausbeute von rund 20 Prozent – der Rest verpufft als Wärme.

Im Gegensatz dazu liegt der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle um ein Vielfaches höher. Ihr Trick: Sie überspringt gleich mehrere der energiefressenden Zwischenschritte und wandelt chemische Energie direkt in elektrische Energie um. Im Prinzip funktioniert eine Brennstoffzelle damit nicht anders als eine Batterie, die immerhin auch Wirkungsgrade von bis zu 90 Prozent erreichen kann.

Nach dem Batterieprinzip

Schema einer Batterie © DOE

Die Batterie produziert Strom, indem in ihrem Inneren zwei unterschiedliche Chemikalien miteinander reagieren. Diese setzen dabei Elektronen frei, die aber, um von einem Reaktionspartner zum anderen zu gelangen, einen „Umweg“ über den Stromleiter nehmen müssen – sie bilden den von der Batterie erzeugten Strom. Die Brennstoffzelle arbeitet nach dem gleichen Prinzip, aber mit einem entscheidenden Vorteil: Sie wird niemals „leer“.

Im Gegensatz zur Batterie, die nach dem Verbrauch entweder abfallsreif ist oder aber erst wieder zeitaufwändig aufgeladen werden muss, versorgt sich die Brennstoffzelle selbst mit Brennstoffnachschub. Während des Betriebs lädt sich damit permanent selbst wieder auf.

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Prinzip „kalte Verbrennung“

In der einfachsten Form wandelt eine Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff unter Elektronenabgabe zu Wasser um. Damit kehrt sie die Elektrolyse um, bei der mithilfe elektrischen Stroms Wasser in die beiden Gase zerlegt wird. Bei der „Wiedervereinigung“ der beiden Gase in der Brennstoffzelle wird theoretisch genau die Energiemenge wieder freigesetzt, die ursprünglich zu ihrer Trennung nötig war und die als latente Energie in Wasserstoff und Sauerstoff gespeichert ist.

Elektronen auf Wanderung

Doch woher kommt dabei der Strom? Ausschlaggebend für die Abgabe von „nützlichen“ Elektronen ist der Aufbau der Brennstoffzelle: Sie besteht im Wesentlichen aus zwei Elektroden und einer trennenden Zwischenschicht. Die beiden Gase werden jeweils an einer Elektrode eingeleitet und stehen nicht in direktem Kontakt miteinander, sondern sind durch die Zwischenschicht, den Elektrolyten, voneinander getrennt.

Wasserstoff liegt normalerweise als zweiatomiges Molekül aus zwei positiv geladenen Wasserstoffkernen und zwei Elektronen vor. An der Anode der Brennstoffzelle werden diese Moleküle durch einen Katalysator gespalten, es entstehen zwei positiv geladene Wasserstoffionen und zwei Elektronen. Die Wasserstoff-Ionen wandern ungehindert durch die Zwischenschicht hindurch und könnten sich an der Kathode mit dem Sauerstoff zu Wasser verbinden – wenn ihnen nicht dazu genau die Elektronen fehlen würden, die an der Anode freigesetzt wurden. Dummerweise können diese aber die Zwischenschicht nicht passieren, der Elektrolyt ist elektronenundurchlässig.

Der einzige Weg für die Elektronen, um doch noch die „Wiedervereinigung“ zu erreichen, ist der Umweg über den an beide Elektroden angeschlossenen Stromleiter. Die Elektronen ergreifen diese „Chance“, wandern von der Anode durch den Draht zur Kathode und schließen damit den Kreis – es fließt nutzbarer elektrischer Strom.

Zwar wird auf diese Weise von jeder einzelnen Brennstoffzelle nur weniger als ein Volt Spannung erzeugt, aber dies dafür mit einem Wirkungsgrad von rund 50 – 60 Prozent. Um die nutzbare Spannung zu erhöhen, schaltet man zahlreiche Einzelzellen in Stapeln oder „stacks“ in Reihe hintereinander.

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Stand: 27.07.2002

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Brennstoffzellen
Alleskönner auf Wasserstoffbasis?

Überblick
Das Wichtigste in Kürze

Neuer Boom für Brennstoffzellen
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Am Brennstoff sollt Ihr sie erkennen...
Wie umweltfreundlich sind Brennstoffzellen?

Der direkte Weg ist der effektivste...
Das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle

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