Funktionsweise Brennstoffzelle

Wasserstoff + Sauerstoff → Elektrizität + Wasserdampf

Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung, welche die chemische Energie die in den molekularen Bindungen von Wasserstoff und Sauerstoff gebunden ist in elektrische Energie umwandelt. Bei der PEM (Polymerelektrolytmembran)- Technologiewird gasförmiger Wasserstoff (H2) als Brennstoff verwendet und mit Sauerstoff (O2) aus der Luft zu reinem Wasser umgesetzt. Als weitere Reaktionsprodukte in der Zelle entstehen Elektrizität und Wärme.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren, Kohlekraftwerken und Kernkraftwerken werden keine giftigen, radioaktiven oder klimaschädigenden Nebenprodukte erzeugt und ausgestoßen.

Wenn der verwendete Wasserstoff aus regenerativen Quellen stammt, zum Beispiel durch Elektrolyse von Strom aus Wind- oder Sonnenenergie, ist diese Technologie vollkommen CO2-neutral.

Damit ist die Brennstoffzelle ein idealer Baustein einer nachhaltigen Energieversorgung heute und in Zukunft. Brennstoffzellen von Proton Motor sind bereits in vielen Anwendungsbereichen im Einsatz.

Kernkomponenten einer PEM-Brennstoffzelle sind die sogenannten Bipolarplatten (BPP), eine Gasdifussionslage (GDL) und die elektrochemisch aktive Polymerelektrolytmembran mit einer dünnen Katalysatorschicht (CCM).

Aufgabe der Bipolarplatten ist es die Reaktionsgase (Wasserstoff und Sauerstoff) über eine spezifische Kanalstruktur (das sogenannte Flussfeld) gleichmäßig über die komplette aktive Fläche zu der Katalysatorschicht zu führen. Eine Bipolarplatte besteht wie der Name sagt aus den beiden Polen einer einzelnen Brennstoffzelle: der wasserstoffführenden Anodenplatte (der negative (-)-Pol) und der Kathodenplatte (der positive (+)-Pol) für die Zuführung der Reaktionsluft. Dazwischen kann ein weiteres Kühl-Flussfeld für die Abführung der Reaktionswärme eingebunden werden. Eine weitere Aufgabe der Bipolarplatte ist der Abtransport des bei der chemischen Reaktion entstehenden Reaktionswassers.

Die Gasdiffusionslage (gas difussion layer, GDL) zwischen Bipolarplatte und CCM hat die Aufgabe die Reaktionsgase fein und sehr gleichmäßig von den Kanälen der BPP auf die Katalysatorschicht der CCM zu verteilen und den Abtransport des Produktwassers vom Katalysator in die Kanäle der BPP.

Die wenige µm dicke Polymerelektrolytmembran (catalyst coated membrane, CCM) hat die Aufgabe die beiden Gasräume (H2 und O2) zu trennen. Hierzu ist sie weitgehend gasdicht und elektrisch isolierend, kann aber sehr effizient Protonen und Wasser transportieren.

Auf beiden Seiten der Membran befindet sich eine dünne Schicht eines Katalysators, der die Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff bei den in der Brennstoffzelle herrschenden niedrigen Temperaturen ermöglicht. Als Katalysatormaterial werden in der Regel geringe Mengen Platinmetall (> 5mg/cm2) verwendet.

Die katalysatorbeschichtete Polymerelektrolytmembran ist also das Herzstück einer Brennstoffzelle, denn hier findet die eigentliche elektrochemische Reaktion statt, bestehend aus den beiden Teilreaktionen:

Anode: 2H2 → 4H+ + 4e
Kathode: O2 + 4H+ + 4e → 2H2O

_______________________________________

Insgesamt: 2H2 + O2 → 2H2O

Auf der Anodenseite werden Protonen (H+) und Elektronen (e) getrennt. Während die Protonen auf dem direkten Weg durch die Polymerelektrolytmembran zur Kathodenseite gelangen, werden die Elektronen durch einen externen Stromkreis gezwungen. Dadurch entsteht ein elektrisches Potential, die Elektronen können auf ihrem Weg (elektrische) Arbeit leisten.

Auf der Kathodenseite wiederum reagieren die Protonen zusammen mit den Elektronen bei geschlossenen Stromkreis mit dem Sauerstoff aus der Luft zu reinem Wasser. Da die Reaktion exotherm ist, wird weiterhin die Reaktionsabwärme frei, die thermisch genutzt werden kann.

Um größere Leistungen zu erzielen und die Brennstoffzelle sinnvoll zu einer Energieversorgung einsetzen zu können, werden mehrere dieser Einzelzellen aufeinander zum sogenannten Brennstoffzellenstack (oder Brennstoffzellenstapel) zusammengeschaltet. Hierbei stellt jede Bipolarplatte die Kathode der einen und die Anode der nachfolgenden Zelle dar. Dieser wiederum stellt das Herzstück eines Brennstoffzellensystems dar.

Die aktive Fläche einer Zelle bestimmt durch die Anzahl der gleichzeitig stattfinden Reaktionen und damit die Menge an fließenden Elektronen den Strom des Brennstoffzellensystems. Die korrespondierende Spannung resultiert aus der Anzahl der zusammengeschalteten Einzelzellen.

Das Proton Motor Know-how beinhaltet neben dem spezifischen Design der einzelnen Komponenten auch den Aufbau eines kompletten Brennstoffzellenystems um die Kernkomponente Zellstapel.

Der Stack wird in ein Modul eingebettet, bestehend aus Wasserstoff-, Kühlung- und Luftmanagement sowie Hardware und Software und ein ausgeklügeltes Sicherheitskonzept. Durch den modularen Aufbau der Proton Motor Brennstoffzellensysteme ist eine einfache Integration in ein übergeordnetes System möglich. So kann auf die vielfältigen Rahmenbedingungen im stationären, mobilen oder maritimen Einsatz reagiert werden und es resultiert ein maßgeschneidertes Konzept für den jeweiligen Anwendungszweck.

Vorteile der Brennstoffzellen-Technologie:

  • Keine schädlichen Abgase
  • Hohe Effizienz
  • Nutzung von Abwärme möglich
  • Geringe Geräuschentwicklung
  • Keine Vibration
  • Geringer Verschleiß der Komponenten
  • Bei Off-grid oder Notstromversorgung ist die Überbrückungszeit lediglich begrenzt durch Wasserstoffversorgung (Tankkapazität)
  • Schnelle Betankung möglich (im Gegensatz zu Batterien)
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