Brennstoffzelle

Brennstoffzellen sind galvansiche Zellen, bei denen die Edukte ständig von außen zugegeben werden müssen.

Brennstoffzellen sind Energiewandler, da sie chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. Sie sind aber keine Energiespeicher.


Aufbau

Die Brennstoffzelle hat 2 Elektroden. Diese bestehen meistens aus einem Metall oder aus Kohlenstoff. Sie sind mit einem Katalysator (z.B. Platin oder Palladium) beschichtet.

Der Elektrolyt kann flüssig (z.B. Kalilauge) oder fest (z.B. Membran) sein.

In diesem Beispiel ist der Elektrolyt eine Protonenaustausch-Membran (engl.: Proton Exchange Membran, kurz PEM). Diese Membran lässt nur Protonen durch. Die Membran hat also auch die Funktion eines Separators, da sie die beiden Elektroden voneinander trennt. Eine direkte Knallgasreaktion wird so verhindert.

Abläufe

Wenn die Elektroden durch einen elektrischen Leiter miteinander verbunden werden, fließt Strom. Die Elektronen wandern vom Minuspol zum Pluspol. Zum Ladungsausgleich wandern Protonen durch die Membran zum Pluspol.

Minuspol, Anode (Oxidation)

An der Anode oxidieren Wasserstoffmoleküle zu Protonen und Elektronen. Das wird durch den Katalysator unterstützt.

Die Reaktionsgleichung sieht so aus:

2\, \text{H}_{2}\,_{\text{(g)}} \xrightarrow{} 4\, \text{H}^+ _{\text{(aq)}} +4\,\text{e}^-2\, \text{H}_{2}\,_{\text{(g)}} \xrightarrow{} 4\, \text{H}^+ _{\text{(aq)}} +4\,\text{e}^-

Pluspol, Kathode (Reduktion)

An der Kathode reagieren Sauerstoffmoleküle mit Protonen und Elektronen. Es entstehen Wassermoleküle. Sauerstoff wird also reduziert.

Die Reaktionsgleichung sieht so aus:

\text{O}_{2}\,_ {\text{(g)}}+4\,\text{H}^+ _{\text{(aq)}} + 4\,\text{e}^- \xrightarrow{} 2\,\text{H}_{2}\text{O}\text{O}_{2}\,_ {\text{(g)}}+4\,\text{H}^+ _{\text{(aq)}} + 4\,\text{e}^- \xrightarrow{} 2\,\text{H}_{2}\text{O}

insgeamt also diese Reaktionsgleichung:

2\, \text{H}_{2}\,_{\text{(g)}} +\text{O}_{2}\,_ {\text{(g)}} \xrightarrow{} 2\,\text{H}_{2}\text{O}2\, \text{H}_{2}\,_{\text{(g)}} +\text{O}_{2}\,_ {\text{(g)}} \xrightarrow{} 2\,\text{H}_{2}\text{O}

Spannung

Die Brennstoffzelle liefert eine Spannung von ungefähr 1,23 V.


Verwendung

Brennstoffzellen sind leiser und zuverlässiger als Generatoren. Außerdem haben sie einen hohen Wirkungsgrad. Sie werden z.B. verwendet in

  • Fahrzeugen
  • Raumfahrt
  • Heizkraftwerken

Allerdings sind Brennstoffzellen teuer und die Versorgung mit Wasserstoff ist noch nicht ausgebaut. Ein weiteres Problem ist die Herstellung von Wasserstoff. Dabei wird noch viel Energie benötigt. Dies kann die Vorteile der umweltschonenden Produkte (Wasser und Wärme) noch nicht ausgleichen.

Verschiedene Brennstoffzellen

Statt Wasserstoff können auch andere Gase an der Anode verwendet werden. Das sind zum Beispiel

  • Methanol
  • Erd- bzw. Biogas (Methan)
  • Ammoniak
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