Strom für die Mondfahrt
AFB I–IIDie Apollo-Raumkapseln erzeugten ihren Strom mit alkalischen Brennstoffzellen: Poröse Nickelelektroden tauchten in heiße Kalilauge, Wasserstoff und Sauerstoff kamen aus Drucktanks; das entstehende Wasser diente der Besatzung als Trinkwasser (M1). Irdische alkalische Zellen, die mit Luft betrieben werden, verlieren mit der Zeit an Leistung, weil sich in der Lauge Carbonat bildet.
| Größe | Wert |
|---|---|
| \(E^\circ(\ce{O2}/\ce{OH-})\) (basisch) | +0,40 V |
| \(E^\circ(\ce{H2O}/\ce{H2})\) (basisch) | −0,83 V |
| Elektrolyt | konzentrierte Kalilauge, über 200 °C |
| Elektroden | poröses Nickel |
| Spannung im Betrieb | etwa 0,9 V je Zelle |
- Formulieren Sie die Reaktionen an Anode und Kathode sowie die Gesamtreaktion der alkalischen Brennstoffzelle.
- Bestimmen Sie die theoretische Zellspannung und vergleichen Sie sie mit der Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle mit saurem Elektrolyten.
- Erklären Sie, warum Luftbetrieb die Kalilauge unbrauchbar macht.
- Erläutern Sie die Aufgaben der porösen Elektroden und des Katalysators.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Anode (−): \(\ce{2 H2 + 4 OH- -> 4 H2O + 4 e-}\); Kathode (+): \(\ce{O2 + 2 H2O + 4 e- -> 4 OH-}\).
Gesamt: \(\ce{2 H2 + O2 -> 2 H2O}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\Delta E = 0{,}40\,\mathrm{V} - (-0{,}83\,\mathrm{V}) = 1{,}23\,\mathrm{V}\) — derselbe Wert wie im sauren Elektrolyten (\(1{,}23 - 0{,}00\)). Die Gesamtreaktion ist gleich; beide Potenziale verschieben sich mit dem pH-Wert um denselben Betrag.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\ce{CO2}\) aus der Luft reagiert als Säure mit den Hydroxid-Ionen: \(\ce{CO2 + 2 OH- -> CO3^2- + H2O}\). Hydroxid-Ionen werden verbraucht, die Leitfähigkeit sinkt, schwer lösliches Kaliumcarbonat kann die Poren der Elektroden verstopfen. In der Raumkapsel wurde deshalb reiner Sauerstoff verwendet.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Poröse Elektroden bieten eine große Grenzfläche, an der Gas, Elektrolyt und Elektronenleiter zusammentreffen (Dreiphasengrenze). Der Katalysator (hier Nickel, sonst Platin) setzt die Aktivierungsenergie für die Spaltung von \(\ce{H2}\) bzw. die Reduktion von \(\ce{O2}\) herab und ermöglicht so einen ausreichend großen Strom bei niedriger Temperatur (Kapitel 1).
Strom speichern mit Wasserstoff
AFB II–IIIÜberschüssiger Wind- und Solarstrom soll gespeichert werden. Eine Möglichkeit: Wasser wird elektrolysiert, der Wasserstoff verdichtet, gespeichert und später in einer PEM-Brennstoffzelle wieder verstromt. M2 zeigt die Kennlinie einer PEM-Zelle (Zellfläche 300 cm²), M3 typische Wirkungsgrade.
| Schritt | Wirkungsgrad |
|---|---|
| Elektrolyse von Wasser | 70 % |
| Verdichten und Speichern des Wasserstoffs | 90 % |
| Brennstoffzelle | 50 % |
| zum Vergleich: Laden und Entladen eines Lithium-Ionen-Akkus | 90 % |
- Interpretieren Sie die Kennlinie in M2.
- Berechnen Sie den Gesamtwirkungsgrad der Kette Strom → Wasserstoff → Strom.
- Ermitteln Sie mit M2, wie viele Zellen ein Stack für 100 kW Leistung bei einer Stromdichte von \(1{,}0\,\mathrm{A\,cm^{-2}}\) benötigt.
- Beurteilen Sie, ob Wasserstoff mit Brennstoffzelle oder Lithium-Ionen-Akku die bessere Lösung für Pkw bzw. für die Speicherung über Wochen ist.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Schon ohne Strom liegt die Spannung (1,0 V) unter dem theoretischen Wert 1,23 V. Mit wachsender Stromdichte sinkt sie weiter: zunächst steil (Hemmung der Elektrodenreaktionen, vor allem der Sauerstoffreduktion), dann etwa linear (Widerstand der Membran), bei hohen Stromdichten stärker (Gasnachschub reicht nicht). Die Differenz zu 1,23 V wird als Wärme frei; hohe Leistung geht deshalb auf Kosten des Wirkungsgrads.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\eta = 0{,}70\cdot 0{,}90\cdot 0{,}50 \approx 0{,}32\), also etwa 32 % — rund zwei Drittel der eingesetzten elektrischen Energie gehen verloren.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Bei \(j = 1{,}0\,\mathrm{A\,cm^{-2}}\) ist \(U = 0{,}65\,\mathrm{V}\); \(I = 1{,}0\cdot 300 = 300\,\mathrm{A}\); \(P_\text{Zelle} = 0{,}65\,\mathrm{V}\cdot 300\,\mathrm{A} = 195\,\mathrm{W}\). \(N = 100\,000/195 \approx 513\) Zellen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Pkw: Der Akku nutzt etwa 90 % des Stroms, die Wasserstoffkette nur etwa 32 % — für die gleiche Fahrstrecke braucht das Brennstoffzellen-Auto fast dreimal so viel Strom; Vorteile sind kurze Tankzeit und große Reichweite, Nachteil die fehlende Infrastruktur. Langzeitspeicherung: Akkus sind für Wochen bis Monate zu teuer und entladen sich selbst; Wasserstoff lässt sich in großen Mengen (Kavernen, Gasnetz) lange speichern. Urteil: Für Pkw ist der Akku meist die effizientere Wahl, für die saisonale Speicherung und schwere Fahrzeuge ist Wasserstoff sinnvoll — vorausgesetzt, er wird mit erneuerbarem Strom erzeugt.