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Brennstoffzelle: Aufbau, Reaktion und Bewertung
Eine Brennstoffzelle wandelt chemische Energie direkt in elektrische Energie um. Bei einer Wasserstoff-Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und Sauerstoff elektrochemisch zu Wasser; dabei entstehen außerdem nutzbarer Strom und Wärme. Die Zelle speichert die Energie nicht selbst: Ihre Reaktionsstoffe müssen fortlaufend von außen zugeführt werden.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Wandler, Speicher oder Energieträger?
Drei Begriffe klingen ähnlich, bezeichnen aber verschiedene Aufgaben:
- Ein Energieträger kann Energie aufnehmen und transportierbar machen. Wasserstoff ist ein chemischer Energieträger.
- Ein Energiespeicher hält einen Energievorrat im System bereit. Bei einer Batterie befinden sich die reagierenden Stoffe im Inneren.
- Ein Energiewandler überführt Energie von einer Form in eine andere. Die Brennstoffzelle wandelt chemische Energie in elektrische Energie und Wärme um.
Die Brennstoffzelle ist kein Tank und keine aufladbare Batterie. Sie arbeitet nur weiter, solange Brennstoff und Oxidationsmittel zugeführt werden.
So ist eine PEM-Brennstoffzelle aufgebaut
Die PEM-Brennstoffzelle besitzt zwei Elektroden: die Anode und die Kathode. Zwischen ihnen liegt eine Protonenaustauschmembran, kurz PEM. Sie dient zugleich als Elektrolyt und als Trennschicht.
- An der Anode, dem Minuspol, wird Wasserstoff zugeführt.
- An der Kathode, dem Pluspol, wird Sauerstoff oder Luft zugeführt.
- Ein Katalysator, häufig Platin, erleichtert die Reaktionen an den Elektroden.
- Die Membran lässt Protonen passieren, aber keine Elektronen.
- Ein äußerer Leiter verbindet die Elektroden und kann einen Verbraucher enthalten.
Proton
Ein Proton wird in der vereinfachten Reaktionsgleichung als positiv geladenes Wasserstoffion $\mathrm{H^+}$ dargestellt. Es entsteht, wenn ein Wasserstoffatom sein Elektron abgibt.
Die Trennung ist entscheidend: Protonen nehmen den Weg durch die Membran. Elektronen müssen außen durch den Verbraucher fließen. Erst dieser getrennte Weg macht den Elektronenfluss nutzbar.
So laufen die Reaktionen ab
An der Anode wird Wasserstoff oxidiert. Oxidation bedeutet hier: Elektronen werden abgegeben.
$$2\,\mathrm{H_2} \rightarrow 4\,\mathrm{H^+}+4\,\mathrm{e^-}$$
Die Protonen wandern durch die Membran. Die Elektronen fließen durch den äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode und können dabei zum Beispiel einen Elektromotor versorgen.
An der Kathode wird Sauerstoff reduziert. Reduktion bedeutet hier: Elektronen werden aufgenommen. Sauerstoff reagiert mit Protonen und Elektronen zu Wasser.
$$\mathrm{O_2}+4\,\mathrm{H^+}+4\,\mathrm{e^-}\rightarrow2\,\mathrm{H_2O}$$
Addiert man beide Teilreaktionen, treten Protonen und Elektronen auf beiden Seiten in gleicher Anzahl auf und fallen aus der Gesamtgleichung heraus:
$$2\,\mathrm{H_2}+\mathrm{O_2}\rightarrow2\,\mathrm{H_2O}$$
Betrachte den Umsatz von zwei Wasserstoffmolekülen:
- An der Anode entstehen daraus vier Protonen und vier Elektronen.
- Die vier Protonen passieren die Membran.
- Die vier Elektronen fließen durch den äußeren Stromkreis.
- An der Kathode reagieren ein Sauerstoffmolekül, die vier Protonen und die vier Elektronen zu zwei Wassermolekülen.
Die Anzahl der Wasserstoff- und Sauerstoffatome sowie die Gesamtladung stimmen auf beiden Seiten. Die vier an der Anode abgegebenen Elektronen werden an der Kathode vollständig aufgenommen.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
An der Anode wird Wasserstoff . Dabei werden Elektronen . Die Elektronen fließen durch den . An der Kathode wird Sauerstoff und es entsteht Wasser.
Elektrolyse und Brennstoffzelle bilden eine Umkehrkette
Ein Elektrolyseur nutzt elektrische Energie, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen:
$$2\,\mathrm{H_2O}\rightarrow2\,\mathrm{H_2}+\mathrm{O_2}$$
Die Brennstoffzelle führt die umgekehrte Stoffreaktion aus und gibt elektrische Energie sowie Wärme ab. Dadurch kann Energie zeitlich verschoben werden: Elektrischer Strom erzeugt zunächst Wasserstoff; später dient der Wasserstoff einer Brennstoffzelle als Energieträger.
Die Kette liefert nicht mehr Energie zurück, als zuvor eingesetzt wurde. Herstellung, Speicherung, Transport und Rückumwandlung benötigen Energie beziehungsweise verursachen Umwandlungsaufwand.
So bewertest du die Wasserstoffkette
Im Betrieb einer mit reinem Wasserstoff versorgten Zelle entsteht lokal Wasser statt eines kohlenstoffhaltigen Abgases. Daraus folgt aber nicht automatisch, dass die gesamte Energiekette emissionsfrei oder nachhaltig ist.
Prüfe mindestens diese Fragen:
- Herstellung: Mit welcher Energie wurde der Wasserstoff erzeugt? Bei der Gewinnung aus fossilen Stoffen kann Kohlendioxid entstehen.
- Umwandlung: Welche Energie wird für Elektrolyse und weitere Prozessschritte benötigt?
- Speicherung und Transport: Wasserstoff braucht geeignete Tanks und Sicherheitsmaßnahmen; Kompression oder Verflüssigung kostet zusätzliche Energie.
- Nutzung: Werden nur Strom oder auch die entstehende Wärme sinnvoll genutzt?
- Systemgrenze: Bewertest du nur die Zelle oder die gesamte Kette von der Herstellung bis zur Anwendung?
„Lokal entsteht Wasser“ ist eine Aussage über den Zellbetrieb. Eine Umweltbewertung muss zusätzlich Herkunft, Herstellung, Speicherung, Transport und Nutzung des Wasserstoffs einbeziehen.
Zwei Brennstoffzellen arbeiten mit Wasserstoff und bilden in der Zelle jeweils Wasser. Der Wasserstoff für System A wurde durch Elektrolyse mit erneuerbarem Strom erzeugt. System B nutzt Wasserstoff aus der Reformierung von Erdgas, bei der Kohlendioxid entsteht.
Beide Systeme haben am Einsatzort dasselbe Reaktionsprodukt. Ihre gesamte Emissionsbilanz kann sich dennoch deutlich unterscheiden, weil die Herstellung des Wasserstoffs verschieden ist. Ohne gemeinsame Systemgrenze wäre ein Vergleich unvollständig.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Brennstoffzelle
- Aufgabe: chemische Energie in Strom und Wärme umwandeln
- Aufbau: Anode, Kathode, Katalysator und PEM
- Anode: Wasserstoff wird oxidiert
- Membran: Protonen passieren, Elektronen nicht
- Stromkreis: Elektronen verrichten elektrische Arbeit
- Kathode: Sauerstoff wird reduziert und Wasser entsteht
- Stoffzufuhr: Wasserstoff und Sauerstoff werden fortlaufend benötigt
- Bewertung: Herstellung, Speicherung, Transport und Nutzung einbeziehen
Abschluss-Check
Du hast den Kern verstanden, wenn du den Elektronenweg erklären, die beiden Teilreaktionen zur Gesamtreaktion verbinden und lokale Zellprodukte von der Bilanz der gesamten Wasserstoffkette unterscheiden kannst.