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Allgemeines Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle
Die Brennstoffzelle ist ein Energiewandler, der die chemische Energie des Brennstoffes (z. B. Wasserstoff) in einer katalytischen Reaktion mit hohem Wirkungsgrad direkt zu elektrischer Energie umwandelt. Im Gegensatz zum elektrodynamischen Prinzip (Dynamo) sind also für die Herstellung des elektrischen Stromes keine bewegten Bauteile notwendig.
Dazu reagiert auf der einen Seite einer elektrisch nicht leitfähigen, gasdichten aber Protonen leitenden Membran (PEM = Proton Exchange Membrane) unter Anwesenheit eines Edelmetallkatalysators (z. B. feinverteilte Platinpartikel) jeweils ein Wasserstoffmolekül (H2) zu zwei H+-Ionen unter Abspaltung von zwei Elektronen. Die Wasserstoffprotonen werden durch die Membran auf die andere Seite transportiert, wo sie ebenfalls katalytisch mit einem Sauerstoffion (O2-, z. B. aus Luft) zu Wasserdampf (H2O) reagieren; zur Vervollständigung dieser Reaktion müssen die beiden Elektronen über die Bipolarplatten in einen externen Kreislauf auf die Sauerstoffseite der Membran gelangen. Es entsteht also ein elektrischer Gleichstrom, der zum Betreiben eines Verbrauchers genutzt werden kann. Bei diesem Prozess wird neben Wasserdampf auch Wärme generiert, die ausgekoppelt werden muss und ebenfalls genutzt werden kann.
Bipolarplatten haben also vornehmlich folgende Aufgaben:
- Zuführung der Reaktionsmedien (H2 und O2) an die reaktive Oberfläche
- Elektrische Leitung der Elektronen
- Abführung der Reaktionsprodukte (bei Betrieb mit H2 reiner Wasserdampf)
- Abführung der entstehenden Wärme in ein Kühlmedium
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