T °C - JuSER - Forschungszentrum Jülich

Stand des Wissens 7
Funktionsweise
Allgemein bildet die Kathode/Elektrolyt/Anode-Verbundstruktur das Grundgerüst der
Fest-Elektrolyt-Brennstoffzelle. Dabei spielt jede dieser Komponente eine bestimmte
Rolle. So wird z.B. die Anode/Kathode (Elektrode) durch einen gasdichten
ionenleitfähigen (Sauerstoff) Zirkonoxid-Elektrolyten (ZrO2) getrennt, um eine
Knallgas-Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff zu vermeiden. An der
porösen gasdurchlässigen Kathodenseite wird Sauerstoff aus der Luft über die
Kathodenschicht transportiert. Es findet dabei eine Reduktion statt (Gl. 2-1). Die
entstehenden Sauerstoffionen diffundieren durch den sauerstoffionenleitfähigen
Elektrolyten in die Anode. Dort wird Brenngas über eine poröse Anodenschicht
eingeleitet und es findet eine spontane Reaktion mit Wasserstoff zu Wasser statt
(Gl. 2-2). Die Teilreaktionen für reinen Wasserstoff, reines Kohlenmonoxid oder
Methan als Brenngase werden mit der Gleichung 2-3 dargestellt und ist als sog.
Wasser-Shift-Reaktion bekannt. Die Elektronen, die bei dieser Reaktion frei gesetzt
werden, werden von der Anode über einen äußeren Stromkreis zur Kathode geführt
und liefern dabei elektrisch nutzbaren Strom [Min 1993a]; [Min 1991].
Die Abbildung 2-1 demonstriert die grundlegende Funktionsweise einer
Brennstoffzelle.
Gl. 2-1.
Gl. 2-2.
Gl. 2-3.
Kathode (Reduktion)
½ O2 + 2 e - → O 2-
Anode (Oxidation)
H2 → 2 H + + 2 e -
O 2- + 2 H + → H2O
Wasser-Shift-Retion
H2 + O 2- → H2O + 2 e -
CO + O 2- → CO2 + 2 e-
Gesamtzellreaktion
H2 + ½ O2 → H2O