Brennstoffzellen sind eine spezielle Art von galvanischen Zellen. Sie können mit festem, flüssigem oder gasförmigem Brennstoff betrieben werden. Die elektrochemische Oxidation des Brennstoffs ist mit Energiegewinn gekoppelt, der in Form von Elektrizität - im Gegensatz zur Wärme während der chemischen Oxidation - aufgenommen wird. Daher sind Brennstoffzellen direkte Energiewandler mit hoher Effizienz. Die meisten Brennstoffzellen erreichen eine Energieumwandlungseffizienz von 70-90%. Wenn die Umwandlung 100% beträgt, wird keine Abwärme erzeugt. Dieser ideale Fall der Energieumwandlung wird als "kalte Verbrennung" bezeichnet, die 1955 von Justi & Winsel erstmals demonstriert wurde. Der Brennstoff für diesen Prozess ist Wasserstoffgas, H₂. Es tritt in eine poröse Nickelröhre (Gasdiffusionselektrode) ein, wo es in Protonen und Elektronen dissoziiert wird gemäß:

H₂ → 2 H⁺ + 2 e^-

Wasserstoff (H₂ ) und Sauerstoff (O₂ ) werden in die Brennstoffzelle gepumpt, wo sie durch zwei Elektroden und das Elektrolyt zu Wasser verbrannt werden. Während der Desorption setzt jedes H-Atom ein Proton (H⁺ ) und ein Elektron (e^- ) frei. Das Elektron wird auf die Elektrode, Anode genannt, und das Proton in den Elektrolyten entladen. Als Ergebnis des Dissoziationsprozesses wird die Anode negativ geladen. Auf der zweiten Elektrode, Kathode genannt, wird dann Sauerstoffgas O₂ mit dem Elektron geladen und in O^2- -Ionen umgewandelt. Die Kathode wird positiv geladen. Beide Elektroden sind in Elektrolyten eingetaucht, in den meisten Fällen eine Kaliumhydroxid, KOH, Lösung von Wasser. Im Elektrolyt sind Kationen (H⁺ ) und Anionen (O^2-) bilden Wasser durch chemische Fusion. Theoretisch beträgt der Wirkungsgrad 92%, begleitet von geringer Abwärme - im Gegensatz zur normalen Verbrennung, bei der Wärme von ~ 3.000ºC erzeugt wird.

2 H₂ + O₂ → H₂O

Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, aber alle haben gemeinsam, dass sie aus Elektroden für die Brennstoff- und O₂ -Aktivierung und elektrolytischen Leitern zwischen diesen Elektroden bestehen. Neuere Variationen von Brennstoffzellen umfassen Methanbrennstoffzellen und mikrobielle Brennstoffzellen. Aufgrund der hohen Aktivierungsenergie von Methan arbeiten Methanbrennstoffzellen üblicherweise bei hohen Temperaturen unter Verwendung von Festelektrolyten. Mikrobielle Brennstoffzellen verwenden Mikroben als anodischen Katalysator und organisches Material in Wasser als Brennstoff. Dies macht sie ideal für die Abwasserbehandlung.

Im Gegensatz zu Wärmekraftgeneratoren erzielen Brennstoffzellen einen hohen Wirkungsgrad bei der direkten Energieumwandlung, da sie den zusätzlichen Schritt der Wärmeerzeugung vermeiden. Neben der Abkürzung der Wärmeerzeugung arbeiten Brennstoffzellen ohne mechanische Teile und geben keine Geräusche, Rauchgase oder Radioaktivität ab, wodurch sie in den Fokus zukünftiger Entwicklungen gerückt werden. Brennstoffzellen sind aufgrund ihrer hohen Energieeffizienz und der hohen Energiedichte von Wasserstoff ideal für Elektrofahrzeuge. In der Raumfahrt wurden Brennstoffzellen erstmals während des Apollo-Programms zwischen 1968 und 1972, im Skylab-Projekt 1973, im Apollo-Soyus-Programm, im Space-Shuttle-Programm und an Bord der Internationalen Raumstation eingesetzt. Dort liefern sie die elektrische Energie für Werkzeuge und Wasseraufbereitung. Ein Vorteil ist, dass das Endprodukt der Kaltverbrennung in Brennstoffzellen darin besteht, dass Wasser das Endprodukt ist, das Astronauten auf ihren Missionen verwenden.

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