Verbrennung ohne Flamme
- Anknüpfung (4.4.2):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.
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.
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:
Zellspannung aus der freien Enthalpie: \(\Delta_r G^\circ = -z \cdot F \cdot \Delta E^\circ\)
- Praxis:Unter Last nur ≈ 0,6–0,8 V je Zelle (Überspannung wie in 4.3.3, 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.
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.
