Die Brennstoffzelle - Department Chemie und Biologie

Die Brennstoffzelle:
Bisherige Methode zur Gewinnung elektrischen Stromes:
− Verbrennen fossiler Brennstoffe, die Wärme erzeugt Wasserdampf, welcher mit einem
Druck von ca. 200 bar eine Turbine betreibt
− Energieverlust durch ungenutzte Wärme, daher nur ein Wirkungsgrad von maximal 40%
Grundgedanke der Brennstoffzelle:
− Umgehen der Wärmeverlust durch einen stärker kontrollierten Verlauf der Redoxreaktion
(bzw. Verbrennung) in einer galvanischen Zelle
− Elektronenübertragung der Reaktion wird abgefangen und als elektrischer Strom genutzt
− man bedient sich dabei einer möglichst exothermen und fast vollständig ablaufenden Redox
- Reaktion: es bietet sich die Knallgas – Reaktion an
Aufbau und Funktion einer Brennstoffzelle:
− besteht aus zwei platinierten (also mit Platin beschäumten) Platin- Elektronen, die von
Wasserstoff- und Sauerstoffgas umspült werden
− dabei wird der Wasserstoff oxidiert und die Elektronen zur anderen Elektrode geleitet, wo
sie den Sauerstoff reduzieren: das ist der Stromfluss
− dadurch ergibt sich folgende Reaktionsgleichung:
ô
2 H+ (aq) + 2eH2 (g)
O2 (g) + 4e
ô
2 O2- (aq)
ô
2 H2O
2 H2 (g) + O2 (g)
− der Elektrolyt, also die Flüssigkeit oder der Feststoff zwischen den beiden Elektroden leitet
nur Protonen und ist gasdicht: Somit werden ungewollt heftige Reaktionen unterbunden
− die H+ - Ionen wandern durch die Lösung und reagieren an der Anode mit dem Sauerstoff
− die abgreifbare Spannung einer Brennstoffzelle liegt zwischen 0,5 und 0,7 Volt
Verschiedene Arten von Brennstoffzellen:
Brennstoffzellen sind genau auf ihre Einsatzgebiete eingepasst, wodurch sich verschiedene
Charakteristika und Unterscheidungsmerkmale ergeben:
− die maximale Leistung
− die Wahl des Elektrolyten
− die Betriebstemperatur
− die Rohstoffquellen
− der maximale Wirkungsgrad
Alkalische Brennstoffzelle – die bekannteste ihrer Art
− Verwendung in Raumfahrt und U – Boot Technologie
− Leistung bis 150 kW (entspricht dem Verbrauch von 2500 Glühlampen à 60 W)
− Kaliumhydroxid – Lösung als Elektrolyt
− Betriebstemperatur liegt unter 100 °C
− benötigt als Rohstoffe hochreinen Wasserstoff und reinen Sauerstoff aus mitgeführten Tanks
(aufgrund der großen Gefahr auch die eher peripheren Anwendungsgebiete)
− hat einen Wirkungsgrad von ca. 60%
− ablaufende Reaktion:
Polymerelektrolytmembran Brennstoffzelle – die am weitesten verbreitete Brennstoffzelle
− Verwendung in Kraftfahrzeugen und mobilen Stromaggregaten
− Leistung bis 250 kW (entspricht dem Verbrauch von 4160 Glühlampen à 60 W)
− Protonenleitende Polymerelektrolytenmembran (genannt: Nafion) als Elektrolyt
− Betriebstemperatur zwischen 60°C und 120° C
− Kann benötigten Wasserstoff durch ein Reforming Verfahren aus z.B. Methanol oder
Methan gewinnen, verwendet wird Luftsauerstoff
− hat einen Wirkungsgrad von ca. 70%
Fragen:
1.) Welche Reaktion ist die Grundlage von Brennstoffzellen ?
2.) Warum ist der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle höher als der von konventionellen
Technologien?
Quelle: Riedel/Janiak „Anorganische Chemie“, S. 372 ff., 7. Auflage, deGruyter Verlag