Prinzip und Funktionsweise von Brennstoffzellen einfach erklärt

Stell dir ein Auto vor, das keine giftigen Abgase ausstößt, sondern aus dem Auspuff nur reines Wasser tropft! Genau das macht das Prinzip und die Funktionsweise von Brennstoffzellen möglich.

In diesem Artikel lernst du, wie eine Brennstoffzelle ein Gas nutzt, um ununterbrochen Strom zu erzeugen, und warum das einzige „Abfallprodukt“ dabei harmloses Wasser ist.

Vorwissen

• Galvanische Zelle: Ein Bauteil, das chemische Energie in elektrische Energie (Strom) umwandelt.

  Beispiel: Eine normale AA-Batterie in einer Taschenlampe ist eine galvanische Zelle.

• Oxidation und Reduktion: Oxidation ist die Abgabe von Elektronen, Reduktion ist die Aufnahme von Elektronen.

  Beispiel: Wenn Eisen rostet, gibt es Elektronen ab (Oxidation) und Sauerstoff nimmt sie auf (Reduktion).

Aufgabentyp 1: Reaktionsgleichungen der Brennstoffzelle

Um das Prinzip und die Funktionsweise von Brennstoffzellen zu verstehen, schauen wir uns zunächst an, was sie von einer Batterie unterscheidet. Eine normale Batterie kennst du: Sie speichert Energie. Wenn die Chemikalien im Inneren verbraucht sind, ist die Batterie leer. Sie ist ein Energiespeicher.

Eine Brennstoffzelle funktioniert anders. Sie ist ein Energiewandler. Das bedeutet, sie hat die energieliefernden Stoffe nicht in sich gespeichert. Stattdessen müssen wir ihr den Brennstoff (meistens Wasserstoff) und Sauerstoff von außen ununterbrochen zuführen. Solange wir diese Gase nachfüllen, produziert die Brennstoffzelle ununterbrochen Strom durch eine chemische Reaktion an ihren Kontakten (Elektroden).

Die chemische Reaktion: Eine gezähmte Explosion

Wenn Wasserstoff und Sauerstoff normal gemischt und angezündet werden, gibt es eine laute Explosion (die Knallgasreaktion). In der Brennstoffzelle lassen wir diese Reaktion ganz langsam und kontrolliert ablaufen. Damit die Energie nicht als Knall, sondern als nutzbarer elektrischer Strom frei wird, müssen wir die beiden Gase räumlich voneinander trennen.

Am Minuspol wird der Wasserstoff hineingepumpt. Er gibt Elektronen ab (Oxidation).

Am Pluspol kommt der Sauerstoff an. Er nimmt die Elektronen auf (Reduktion).

Weil die Gase durch eine Wand getrennt sind, müssen die Elektronen durch ein äußeres Kabel vom Minuspol zum Pluspol fließen – das ist unser elektrischer Strom! Am Ende verbinden sich die Teilchen zu harmlosem Wasser.

Minuspol: $\textcolor{#08BFFF}{2 \text{ H}_2} \to \textcolor{#08BFFF}{4 \text{ H}^+} + \textcolor{#53E5D6}{4 \text{ e}^-}$

Pluspol: $\textcolor{#FF7D57}{\text{O}_2} + \textcolor{#53E5D6}{4 \text{ e}^-} \to \textcolor{#FF7D57}{2 \text{ O}^{2-}}$

Gesamtreaktion: $\textcolor{#08BFFF}{2 \text{ H}_2} + \textcolor{#FF7D57}{\text{O}_2} \to 2 \text{ H}_2\text{O}$

Der Aufbau der PEM-Brennstoffzelle

Der wichtigste Typ für Fahrzeuge ist die PEM-Brennstoffzelle (Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle). Sie besteht aus mehreren cleveren Bauteilen:

• Die Membran (Der Türsteher): In der Mitte ist eine hauchdünne Kunststofffolie. Sie lässt nur die positiv geladenen Wasserstoff-Teilchen (Protonen, $\text{H}^+$) hindurch. Die Elektronen kommen nicht durch und müssen den Umweg über das Stromkabel nehmen.

• Der Katalysator (Der Helfer): Auf beiden Seiten der Membran gibt es Edelmetalle (wie Platin). Sie helfen, die Gase in ihre Teilchen zu zerlegen, damit die Reaktion überhaupt startet.

• Die Bipolarplatten (Die Verteiler): Das sind Platten mit feinen Rillen. Sie verteilen die Gase gleichmäßig, leiten den Strom weiter und kühlen die Zelle.

Eine einzelne Zelle liefert nur etwa $0{,}6$ bis $0{,}9 \text{ V}$ Spannung. Das reicht nicht für ein Auto. Deshalb schichtet man viele Zellen wie Pfannkuchen übereinander. Das nennt man einen Stack (Reihenschaltung). So addiert sich die Spannung auf einen Wert, der einen starken Motor antreiben kann.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Minuspol (Oxidation) bestimmen: Der Brennstoff (Wasserstoff) wird zugeführt und gibt Elektronen ab.
2. Pluspol (Reduktion) bestimmen: Der Sauerstoff wird zugeführt und nimmt die Elektronen auf.
3. Gesamtreaktion aufstellen: Beide Teilreaktionen werden zusammengefasst. Die Elektronen heben sich auf und es entsteht Wasser.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Eine Brennstoffzelle ist ein Energiewandler, kein Speicher. Brennstoff und Sauerstoff müssen ständig von außen zugeführt werden.
• Die räumliche Trennung der Gase zwingt die Elektronen, durch ein Kabel zu fließen – so entsteht nutzbarer Strom.
• Die PEM-Brennstoffzelle nutzt eine spezielle Membran, die nur Protonen ($\text{H}^+$) durchlässt.
• Um eine hohe Spannung zu erreichen, werden viele Zellen zu einem Stack (Stapel) hintereinandergeschaltet.