Brennstoffzelle im PKW:
In Kraftfahrzeugen werden PEMFC-Brennstoffzellen (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell oder Proton Exchange Membrane Fuel Cell) verwendet. Bei dieser Art der Brennstoffzelle ist der protonenleitende Elektrolyt eine Proton Exchange Membran (PEM). Als Brennstoff wird reiner Wasserstoff H2 getankt. Als Oxidationsmittel, auf der anderen Seite der PEM, dient Sauerstoff O2 aus der gefilterten Umgebungsluft.
Der Brennstoff Wasserstoff wird der Anode über Strömungsprofile zugeführt. Die Anode ist mit einem Katalysator, z. B. Platin oder Palladium, versehen. Dadurch erhöht sich die Reaktionsgeschwindigkeit und die Aktivierungsenergie für die Oxidation (Elektronenabgabe) des Wasserstoffmoleküls wird herabgesetzt. Das H2-Molekül wird durch diese katalytische Oxidation in seine einzelnen Atome zerlegt und diese anschließend in das positiv geladene Proton H+ und ein Elektron aufgespalten. Dieses Proton reagiert sofort an dem mit Wasser befeuchteten Elektrolyten zu einem H3O+-Teilchen (Oxoniumion):
Oxidation/Elektronenabgabe: 2H2 + 4H2O → 4H3O⁺ + 4e⁻
Das Oxoniumion H3O⁺ gelangt über den Elektrolyten bzw. die Ionen-Austausch-Membran auf die andere Seite durch die Proton Exchange Membran in die Kammer mit dem Oxidationsmittel O2. Die abgegebenen Elektronen werden jedoch aus der Brennstoffzelle über einen externen Stromkreis abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher zur Kathode, also nicht durch die Membran. Dadurch wird die elektrische Energie für den Fahrzeugantrieb bereitgestellt.
An der ebenfalls katalytischen Kathode wird angefeuchtete Luft zugeführt. Das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Luft wird durch die katalytische Kathode in seine Atome zerlegt und durch Aufnahme der über diesen Umweg gewanderten Elektronen zu Oxid-Anionen reduziert. Die durch den Elektrolyt zur Kathode gewanderten Oxoniumionen 4H3O+ reagieren dann mit den negativen Oxidionen zu Wasser:
Reduktion/Elektronenaufnahme: O2 + 4H3O+ + 4e- → 6H2O
Insgesamt ergibt sich folgende Gesamtreaktionsgleichung:
Redoxreaktion/Gesamtreaktion: 2H2 + O2 → 2H2O + Energie
Die gelieferte Spannung dieser Zellbauart liegt theoretisch bei 1,23 Volt pro Zelle. In der Praxis werden jedoch nur Spannungen von 0,5 bis 1 V erreicht. Die Spannung ist vom Brennstoff, von der Qualität der Zelle und von der Temperatur abhängig. Unter Last bewirken die chemischen und elektrischen Prozesse ein Absinken der Spannung.
