Grundprinzipien und Entwicklung von Brennstoffzellen
Eine Brennstoffzelle ist eine Energieumwandlungsvorrichtung. Es basiert auf dem Prinzip der Elektrochemie, also dem Funktionsprinzip einer Primärbatterie. Die im Brennstoff und im Oxidationsmittel gespeicherte chemische Energie wird isotherm in elektrische Energie umgewandelt und der eigentliche Prozess ist eine Redoxreaktion. Die Brennstoffzelle besteht hauptsächlich aus vier Teilen, nämlich einer Anode, einer Kathode, einem Elektrolyten und einem externen Kreislauf. Das Brenngas und das Oxidationsgas werden jeweils von der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle eingeleitet. Das Brenngas emittiert Elektronen an der Anode, und die Elektronen werden durch einen externen Kreislauf zur Kathode geleitet und mit dem oxidierenden Gas kombiniert, um Ionen zu erzeugen. Unter Einwirkung eines elektrischen Feldes wandern die Ionen durch den Elektrolyten zur Anode, reagieren mit dem Brenngas, bilden eine Schleife und erzeugen einen elektrischen Strom. Gleichzeitig erzeugt die Brennstoffzelle aufgrund ihrer eigenen elektrochemischen Reaktion und des Innenwiderstands der Batterie eine gewisse Wärmemenge. Die Kathoden der Batterie wirken neben leitenden Elektronen auch als Katalysator für die Redoxreaktion. Wenn der Brennstoff ein Kohlenwasserstoff ist, muss die Anode eine höhere katalytische Aktivität aufweisen. Die Anoden und Kathoden sind üblicherweise porös, um den Durchtritt von Reaktionsgasen und den Produktaustrag zu erleichtern. Der Elektrolyt dient zur Übertragung von Ionen und zur Trennung von Brenngas und Oxidationsgas. Um das Vermischen der beiden Gase zu blockieren, wird der interne Kurzschluss der Batterie verursacht, und der Elektrolyt ist üblicherweise eine dichte Struktur.