Brennstoffzellen

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Verbrennung ohne Flamme

Anknüpfung:Batterie und Akku tragen ihre Reaktionspartner im Gehäuse. Die Brennstoffzelle bekommt Brennstoff (H₂, Methanol) und Oxidationsmittel (O₂ aus Luft) laufend zugeführt — sie speichert nicht, sie wandelt um.
„Kalte Verbrennung“:Die Knallgasreaktion läuft getrennt ab: Oxidation am Minuspol, Reduktion am Pluspol, Elektronen über den äußeren Stromkreis.
Aufbau (PEM):poröse Elektroden mit Platin-Katalysator, dazwischen eine protonenleitende Polymermembran (Nafion); Betrieb bei ≈ 80 °C.

Wähle den Zelltyp und lege dich unter der Zelle auf alle vier Vorhersagen fest: Elektronenrichtung im Draht, wanderndes Ion, Ort der Wasserbildung und Minuspol. Erst dann startet Start ▶ den Betrieb — die Teilchen zeigen, ob du richtig lagst. Tipp: Vergleiche danach PEM- und alkalische Zelle.

Zelltyp

1 · Elektronen im Draht

2 · Im Elektrolyten wandert

3 · Wasser entsteht

4 · Minuspol ist die

Halte fest: In jeder H₂/O₂-Brennstoffzelle ist die Wasserstoff-Elektrode der Minuspol, und die Elektronen fließen außen zur Sauerstoff-Elektrode. Wo das Wasser entsteht, hängt vom Elektrolyten ab: Im sauren wandert H⁺ zur O₂-Seite, im alkalischen wandert OH⁻ zur H₂-Seite.

Merke

Brennstoffzelle: Brennstoff (\(\ce{H2}\), Methanol) und Oxidationsmittel (\(\ce{O2}\)) werden laufend zugeführt: Die Zelle speichert nicht, sie wandelt um („kalte Verbrennung“).

Elektroden: In jeder \(\ce{H2}\)/\(\ce{O2}\)-Zelle ist die Wasserstoff-Elektrode der Minuspol; die Elektronen fließen außen zur Sauerstoff-Elektrode.

Ionen: Im sauren Elektrolyten wandert \(\ce{H+}\) zur \(\ce{O2}\)-Seite, im alkalischen \(\ce{OH-}\) zur \(\ce{H2}\)-Seite.

PEM-Zelle: Poröse Elektroden mit Platin-Katalysator und Polymermembran, Betrieb bei etwa 80 °C.

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Spannung und Wirkungsgrad

Minuspol (Anode):\(\ce{H2 + 2 H2O -> 2 H3O+ + 2 e-}\)
Pluspol (Kathode):\(\ce{O2 + 4 H3O+ + 4 e-}\)
\(\ce{-> 6 H2O}\)
alkalisch:\(\ce{H2 + 2 OH- -> 2 H2O + 2 e-}\) und \(\ce{O2 + 2 H2O + 4 e- -> 4 OH-}\) — gleiche Gesamtreaktion.

Herleitung:

\(\Delta_r G^\circ = -237{,}1\,\text{kJ/mol}\)

je \(\ce{H2 + 1/2 O2 -> H2O(l)}\), \(z = 2\)

freie Enthalpie

\(\Delta E^\circ = \dfrac{-\Delta_r G^\circ}{z \cdot F}\)

Werte einsetzen

elektrische Arbeit \(W = z \cdot F \cdot \Delta E\) = nutzbare Energie

\(\Delta E^\circ = \dfrac{237\,100\,\text{J/mol}}{2 \cdot 96\,485\,\text{C/mol}} = 1{,}23\,\text{V}\)

Ergebnis

idealer Wirkungsgrad \(\eta = \Delta_r G^\circ / \Delta_r H^\circ = -237{,}1 / -285{,}8 \approx 83\,\%\)

Merke

Zellspannung: \(\Delta_r G^\circ = -z \cdot F \cdot \Delta E^\circ\), für \(\ce{H2}\)/\(\ce{O2}\): \(\Delta E^\circ = 1{,}23\,\text{V}\).

Minuspol (Anode): \(\ce{H2 + 2 H2O -> 2 H3O+ + 2 e-}\)

Pluspol (Kathode): \(\ce{O2 + 4 H3O+ + 4 e- -> 6 H2O}\)

Praxis: Unter Last nur etwa 0,6 bis 0,8 V je Zelle, daher Stapel aus vielen Zellen in Reihe. Klimafreundlich ist sie nur mit „grünem“ Wasserstoff.

Praxis:Unter Last nur ≈ 0,6–0,8 V je Zelle (Überspannung, Widerstand der Membran) → Stapel (Stack) aus vielen Zellen in Reihe.
Bewertung:lokal nur Wasser als Abgas; klimafreundlich nur mit „grünem“ Wasserstoff aus Elektrolyse mit Ökostrom.

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Allgemeine Hinweise

Kein Energiespeicher

Eine Brennstoffzelle speichert keine Energie. Gespeichert ist sie im Wasserstofftank; die Zelle wandelt nur um — solange Gas nachströmt.

Elektrolyt bestimmt die Teilgleichungen

Im sauren Milieu H₃O⁺ und H₂O zum Ausgleich verwenden, im alkalischen OH⁻ und H₂O. Die Gesamtgleichung ist in beiden Fällen dieselbe.

Spannung ohne Messung

Aus einer Tabelle mit Standard-Bildungsenthalpien und freien Enthalpien lässt sich jede Zellspannung über ΔE° = −ΔrG°/(z·F) berechnen — z ist die Zahl der übertragenen Elektronen je Formelumsatz.