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Aufbau und Arbeitsweise einer Wasserstoff-Brennstoffzelle

Energieumwandler: Um die im Wasserstoff gespeicherte Energie umzuwandeln, wird dieser in der Brennstoffzelle aufgespalten. Dabei entstehen elektrische Energie und Wasserdampf. Bild: Toyota

Grundsätzlich kann eine Brennstoffzelle zwei Dinge. Wasserstoff in elektrische Energie umwandeln oder unter Zuführung von elektrischer Energie Wasserstoff zu erzeugen.

Letztere Anwendung kann beispielsweise dazu dienen, überflüssigen (Öko-)Strom nicht in Batterien speichern zu müssen, sondern aus Wasser und Sauerstoff Wasserstoff zu erzeugen. Auf diese Weise lässt sich überschüssige Energie speichern, um sie dann bei Bedarf wieder in elektrische Energie umzuwandeln.

So wie es in Fahrzeugen mit Wasserstoff als Treibstoff passiert. Hier geht es natürlich nur darum, für den elektrischen Antrieb Strom aus Wasserstoff zu erzeugen – via Brennstoffzelle.

Aufbau:

Eine Brennstoffzelle (engl. Fuel Cell) besteht aus mehreren Zellen, die gemeinsam einen Stapel, den sogenannten Stack bilden. Aus diesem Grund ist häufig auch vom Brennstoffzellenstack die Rede. In den einzelnen Zellen des Stacks befindet sich eine Membran (meist aus Polymer-Kunststoff) und zwei seitliche Elektroden, die Anode und die Kathode (siehe Bild). Diese sind in der Regel mit Platin beschichtet und haben eine katalytische Funktion.

Arbeitsweise:

Um die im Wasserstoff gespeicherte Energie in elektrische Energie umzuwandeln, wird dieser über die Anode zugeführt und durch deren katalytische Funktion in Protonen und Elektronen zerlegt. Die positiv geladenen Wasserstoff-Protonen wandern dann durch eine katalytisch beschichtete Membran zur Kathode, wo sie mit dem Sauerstoff aus der Luft reagieren.

Dabei entsteht Wasserdampf, der über den ‚Auspuff’ abgeführt wird. Die aus dem zugeführten Wasserstoff abgespaltenen Elektronen wiederum liefern außerhalb des Stacks den elektrischen Strom. Auf der Internetseite www.hochvoltkompetenz.de findet sich unter der Rubrik Technologie eine noch ausführlichere Beschreibung der Abläufe in der Brennstoffzelle.

Spannungsbereiche:

Je nach Lastpunkt beträgt die Einzelzellenspannung 0,6 bis 0,8 V. Die Gesamtspannung des Stacks ergibt sich demnach aus der Anzahl der Zellen, wobei hier Abweichungen in den Angaben existieren können.

Wichtige Nebenaggregate:

Ein elektrischer Turboverdichter dient dazu, den Zellen genügend Luft zuzuführen. Außerdem ist ein elektrisches Rezirkulationsgebläse vorhanden – es führt unverbrauchten Wasserstoff zurück zur Anode. Damit lässt sich die Effizienz steigern. Da Brennstoffzellen in einem Temperaturfenster von etwa 80 °C arbeiten, ist eine Kühlmittelpumpe mit angeschlossenem Kühlsystem vorhanden. Wie die beiden anderen Nebenaggregate arbeitet die Pumpe elektrisch.