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