Galvanische Elemente - BFH

BFH-TI
Automobiltechnik
14. Galvanische Elemente
Abbildung 1: Versuch:
Ein Kupfer und ein Aluminiumblech werden in
Leitungswasser getaucht. Dabei entsteht eine Spannung von
etwa 0,5 V.
Zwei verschiedene Metalle erzeugen in einem Elektrolyt
eine Spannung → galvanisches Element.
Galvanische Elemente wandeln chemische Energie in elektrische Energie um. Sie bestehen aus zwei verschiedenen
Metallen in einer oder zwei elektrolytischen Lösungen. Die Quellenspannung ist abhängig vom Elektrodenmaterial
und vom Elektrolyt.
Dabei handelt es sich um exotherme Reaktionen, das heisst, sie laufen von selbst ab und dabei wird Energie
freigesetzt.
Diese Reaktion wird vor allem durch die unterschiedlichen Normalpotentiale der Metalle verursacht. Man ordnet
diese Werte auch unter dem Begriff "elektrochemische Spannungsreihe".
Diese Tabelle [1] gilt ebenso wie diejenige der
elektrochemischen Spannungsreihe, nur für genau definierte
Standartbedingungen.
In Wirklichkeit spielen viele andere Faktoren auch eine
wesentliche Rolle. So vor allem die bei der Oxydation
entstehende Schicht, welche sich vielleicht von der
Elektrode ablöst oder eben haften bleibt. Im ersten Fall
wird die Elektrode mit der Zeit aufgelöst (Auslaufen der
Trockenbatterie). Im zweiten Fall kann der Stromfluss
gehemmt werden oder es bildet sich mit der Oxydschicht
ein zusätzliches Element. Die dabei entstehende Spannung
nennt man Polarisationsspannung. Sie wirkt der
eigentlichen Zellenspannung entgegen.
Aus diesen Ueberlegungen folgt, dass die Bereitstellung
chemischer Energiespeicher wesentlich schwieriger ist, als
auf den ersten Blick angenommen wird.
Abbildung 2: Normalpotenziale der Metalle
Karl Meier-Engel
Batterie; Galvanische Elemente
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Automobiltechnik
Das Leclanché-Element [2]
Die wohl bekannteste und verbreitetste Primärzelle ist das Leclanché-Element:
Anode (Minus-Pol):
Kathode (Pluspol):
und Depolarisator
Elektrolyt:
Zellenspannung:
Zink
Braunstein MnO2 (Manganoxyd)
Salmiak → Ammoniumchloridlösung NH4Cl
1,5 V
Der Zinkbecher oxydiert (Oxydation = Elektronenabgabe), gibt positive Ionen (Zn2+) an den Elektrolyten ab und
wird negativ. Dafür wandern positive Wasserstoffionen (H+) vom Elektrolyten zur Kathode und geben dort ihre
Ladung ab, werden also reduziert (Reduktion = Elektronenaufnahme). Der Wasserstoff verbindet sich chemisch
mit dem Manganoxyd.
Der zentrale Kohlestab wirkt als Leiter.
Abbildung 3. Aufbau des Leclanché-Element
Abbildung 4: Entladekennlinien verschiedener Zellen
Karl Meier-Engel
Batterie; Galvanische Elemente
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Automobiltechnik
Zink/Luft-Batterie [3]
Eine Primärbatterie mit den Elementen Zink und Luft wird in Deutschland für Elektrofahrzeuge erprobt. Diese
Batterie hat eine Energiedichte von 180 Wh/kg.
Bestechend an dieser Batterie ist dabei, dass ein Reaktionspartner der Luft entnommen wird. Bei der deutschen
Post untersucht man den Einsatz dieser Batterie in Fahrzeugen. Nach der Entladung muss die Batterie ersetzt
werden. Das Zink wird in einer zentralen Anlage regeneriert und zu neuen Platten verarbeitet.
Elektrochemische Korrosion
Ueberall wo sich zwei verschiedene Metalle berühren, wird beim Kontakt mit einem Elektrolyt (Wasser) ein
galvanisches Element entstehen.
Dabei löst sich das unedlere Metall auf, während am edleren Wasserstoff und Hydroxidionen reduziert werden.
Auf Grund dieser Erkenntnisse werden beim Automobilbau besonders korrosionsgefährdete Eisenbleche verzinkt.
Da Zink unedler ist, das heisst gegenüber Eisen ein negatives Potential hat, löst es sich bei Verletzungen der
Schutzschicht auf anstelle des Eisens.
In besonderen Fällen werden Magnesiumstäbe als sogenannte Opferelektroden eingesetzt.
Literaturverzeichnis
[1]
[2]
[3]
BOSCH: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, VDI-Verlag,
22. Auflage, ISBN 3-18-419122-2
Europa-Lehrmittel Nr. 30138: Fachkunde Elektrotechnik
29. Isata Conference: Electric Fuel Limited, Israel, Status of programs using the electric fuel zinc-air
battery system, Florence 1996
Karl Meier-Engel
Batterie; Galvanische Elemente
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