Funktionsprinzip und Vorteile des Wasserstoff-Brennstoffzellenstapels

Brennstoffzellel ist ein Energieumwandlungsgerät, das die elektrochemische Energie von Brennstoffen in elektrische Energie umwandeln kann. Es wird Brennstoffzelle genannt, da es in Kombination mit einer Batterie ein elektrochemisches Stromerzeugungsgerät ist. Eine Brennstoffzelle, die Wasserstoff als Brennstoff verwendet, ist eine Wasserstoff-Brennstoffzelle. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist die Reaktion der Wasserelektrolyse zu Wasserstoff und Sauerstoff. Der Reaktionsprozess der Wasserstoff-Brennstoffzelle ist sauber und effizient. Wasserstoff-Brennstoffzellen sind nicht durch den thermischen Wirkungsgrad von 42 % des Carnot-Zyklus, der in herkömmlichen Automotoren verwendet wird, begrenzt und können einen Wirkungsgrad von über 60 % erreichen.

Im Gegensatz zu Raketen erzeugen Wasserstoff-Brennstoffzellen kinetische Energie durch die heftige Reaktion der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung und setzen die Gibbs-Energie des Wasserstoffs über Katalysatoren frei. Die Gibbs-Energie ist eine elektrochemische Energie, die unter anderem mit Entropie in Zusammenhang steht. Das Funktionsprinzip einer Wasserstoff-Brennstoffzelle besteht darin, dass Wasserstoff durch den Katalysator (Platin) in der positiven Elektrode der Zelle in Wasserstoffionen (d. h. Protonen) und Elektronen zerlegt wird. Wasserstoffionen gelangen durch die Protonenaustauschmembran zur negativen Elektrode, wo Sauerstoff zu Wasser und Wärme reagiert. Die entsprechenden Elektronen fließen durch den externen Stromkreis von der positiven zur negativen Elektrode und erzeugen so elektrische Energie.

ImBrennstoffzellenstapelfindet die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff statt. Dabei kommt es zu einem Ladungstransfer, der Strom erzeugt. Gleichzeitig reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser.
Als chemischer Reaktionspool ist die Protonenaustauschmembran der Kern der Brennstoffzellenstapeltechnologie. Die beiden Seiten der Folie liegen dicht an der Katalysatorschicht, um den Wasserstoff in geladene Ionen zu zerlegen. Da Wasserstoffmoleküle klein sind, können die wasserstofftragenden Elektronen durch die winzigen Löcher der Folie zur gegenüberliegenden Seite wandern. Beim Durchdringen der wasserstofftragenden Elektronen durch die Löcher der Folie werden diese jedoch von den Molekülen abgetrennt, sodass nur die positiv geladenen Wasserstoffprotonen durch die Folie zum anderen Ende gelangen.
Wasserstoffprotonenwerden von der Elektrode auf der anderen Seite der Folie angezogen und verbinden sich mit Sauerstoffmolekülen. Die Elektrodenplatten auf beiden Seiten der Folie spalten Wasserstoff in positive Wasserstoffionen und Elektronen und Sauerstoff in Sauerstoffatome, um Elektronen einzufangen und in Sauerstoffionen (negative Elektrizität) umzuwandeln. Elektronen bilden einen Strom zwischen den Elektrodenplatten, und zwei Wasserstoffionen und ein Sauerstoffion verbinden sich zu Wasser, dem einzigen Abfallprodukt des Reaktionsprozesses. Im Wesentlichen dient der gesamte Vorgang der Stromerzeugung. Im Verlauf der Oxidationsreaktion werden kontinuierlich Elektronen übertragen, um den für den Antrieb des Fahrzeugs benötigten Strom zu erzeugen.