PEM Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle erzeugt direkt elektrische Energie aus Brennstoffen ohne den Umweg über die Erzeugung von Wärme und mechanischer Energie, wie das z.B. bei einem Kohlekraftwerk der Fall ist. Das Prinzip, dessen sich die Brennstoffzelle bedient, ist eine Umkehrung der Wasserelektrolyse. Bei dieser wird mit Hilfe von elektrischem Strom Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. H 2 O → H 2 +1⁄2 O 2 Bei der Brennstoffzelle lautet die Gesamtreaktion : H 2 +1⁄2 O 2 → H 2 O Diese Reaktion findet nun in zwei Teilreaktionen statt, die räumlich voneinander durch den Elektrolyten getrennt sind. Abbildung 2: Prinzipskizze einer Brennstoffzelle (PEMFC) (vgl. Stimming 1999, 9.22) An der Anode wird Wasserstoff zugeführt. An der Kathode wird Sauerstoff zugeführt und das entstehende Wasser abgeführt. Die Teilreaktionen lauten:

An der Anode : H2 → 2 H+ + 2 e-
An der Kathode: 2 H + + 2e – + 1⁄2 O 2 → H 2 O

Die Elektronen werden über einen äußeren Leiterkreis von der Anode zur Kathode transportiert und können dabei Arbeit leisten (siehe Abbildung 2). Die Reaktion läuft dabei kontinuierlich ab und nicht abrupt wie in einer Knallgasreaktion. Die in diesem Beispiel gezeigten Reaktionen gelten für die PEMFC. Die Reaktionen für andere Brennstoffzellentypen gelten analog und sind in Kapitel 2.5 genau erläutert. Kohlenmonoxid-Problem Leider kann Wasserstoff nicht wie andere Rohstoffe abgebaut werden, sondern muß erst erzeugt werden. Bei dieser Erzeugung (siehe Kapitel 2.4 und 2.5) entstehen neben Wasserstoff allerdings oft auch andere Nebenprodukte, die für den Betrieb in der Brennstoffzelle ungeeignet sind, oder diese sogar schlimmstenfalls vergiften (siehe Abbildung 3). So entstehen bei der Reformierungsreaktion von Methanol mit Wasser zu einem wasserstoffreichen Synthesegas ca. 1% Kohlenmonoxid.

Beim Betrieb von Brennstoffzellen mit Kathalysatoren, welche auf Edelmetallen wie Platin basieren wirken sich allerdings sehr geringe Konzentrationen von Kohlenmonoxid im Brennstoff schädlich auf die Leistung der Zelle aus. Der Grund liegt darin, dass aktive Katalysatorplätze mit Kohlenmonoxid belegt sind, da das Platin vornehmlich CO adsorbiert. Für dieses Problem gibt es verschiedene Lösungsansätze: • Die Suche nach einem anderen, geeigneteren Katalysator für die Anodenseite, der eine bessere Kohlenmonoxidverträglichkeit hat, z.B. Pt-Ru-Legierungen. Dies Art von Katalysatoren bringen jedoch hohe Kosten mit sich. Die Adsorptionserscheinungen sind nur unwesentlich geringer. Sinnvoller ist es den mit Kohlenmonoxid verunreinigten Wasserstoff zu reinigen.

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