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Brennstoffzellen

Ein Auto, aus dessen Auspuff nur Wasser tropft — wie gewinnt eine Brennstoffzelle Strom aus Wasserstoff?

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Strom aus Wasserstoff

In der Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und Sauerstoff ohne Flamme — die Energie wird direkt als elektrische Energie frei.

  • Brennstoffzelle:galvanische Zelle, der Brennstoff und Sauerstoff laufend von außen zugeführt werden; sie wird nicht aufgeladen.
  • Elektroden:porös, mit Platin als Katalysator; links strömt Wasserstoff vorbei, rechts Sauerstoff (Luft).
  • Membran:trennt die Gase und lässt nur Wasserstoff-Ionen \(\ce{H+}\) durch (Protonenaustauschmembran, PEM).
  • Minuspol (Anode):Oxidation \(\ce{2 H2 -> 4 H+ + 4 e-}\).
  • Pluspol (Kathode):Reduktion \(\ce{O2 + 4 H+ + 4 e- -> 2 H2O}\).
Merke

Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle: \(\ce{2 H2 + O2 -> 2 H2O}\) — die Elektronen fließen dabei über den äußeren Stromkreis vom Wasserstoff zum Sauerstoff.

Ziehe Wasserstoff- und Sauerstoff-Moleküle an die passende Elektrode (Tastatur: Tab zum Molekül, Pfeiltasten, Enter lässt los). Beobachte, wohin Ionen und Elektronen wandern und wann Wasser entsteht.

Teilchen zu den Elektroden ziehen

Halte fest: Wasserstoff gibt an der Anode Elektronen ab; die H+-Ionen wandern durch die Membran, die Elektronen über den Motor. An der Kathode entsteht aus O2, 4 H+ und 4 e− Wasser — auf ein O2 kommen immer zwei H2.

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Spannung und Einsatz

Die Standardpotenziale liefern die theoretische Zellspannung.

  • Zellspannung:\(\Delta E = 1{,}23\,\mathrm{V} - 0{,}00\,\mathrm{V} = 1{,}23\,\mathrm{V}\); im Betrieb liefert eine Zelle etwa \(0{,}6\) bis \(0{,}9\,\mathrm{V}\).
  • Stapel (Stack):Viele Zellen in Reihe liefern die nötige Spannung, z. B. im Brennstoffzellen-Auto oder -Bus.
  • Vergleich:Batterie und Akku enthalten ihre Reaktionspartner; die Brennstoffzelle erhält sie aus Tanks und liefert Strom, solange Nachschub kommt.
  • Wirkungsgrad:chemische Energie wird direkt in elektrische umgewandelt — ohne den Umweg über Wärme wie im Verbrennungsmotor.
  • Herkunft des Wasserstoffs:klimafreundlich nur, wenn er per Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird („grüner Wasserstoff“).
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Allgemeine Hinweise

Keine Verbrennung

Wasserstoff und Sauerstoff treffen nie direkt aufeinander — die Membran trennt sie. Sonst entstünde ein explosives Gasgemisch.

Umkehrung der Wasserelektrolyse

Bei der Wasserelektrolyse zerlegt Strom Wasser in \(\ce{H2}\) und \(\ce{O2}\); die Brennstoffzelle gewinnt beim Bilden von Wasser Strom zurück.

Elektronen nicht durch die Membran

Durch die Membran wandern nur \(\ce{H+}\)-Ionen. Die Elektronen müssen den äußeren Stromkreis nehmen — nur deshalb läuft der Motor.

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