Elemente und Moleküle, Schulbuch

75 4.3 reDOX-reaKTiOnen Brennstoffzellen Bei den bisher beschriebenen Elementen liegen die Stoffe, die an den Strom liefern- den Vorgängen beteiligt sind, im Element selbst vor. Dies führt zu einer Begrenzung der entnehmbaren Energiemenge. Bei der Brennstoffzelle werden Reduktionsmittel („Brennstoff“) und Oxidationsmittel kontinuierlich zugeführt. Als Brennstoff eignen sich flüssige oder gasförmige Stoffe, wie zB Wasserstoff, Hydrazin (N 2 H 4 ) oder Bu- tangas. Als Oxidationsmittel wird zumeist Sauerstoff (bzw. Luft) eingesetzt; man kann allerdings auch flüssiges Wasserstoffperoxid (H 2 O 2 ) verwenden (Abb. 75.1). Die bei der Brennstoffzelle auftretenden Zersetzungsprodukte sind „umwelt-freund- lich“. Zum Unterschied von den übrigen Spannungsquellen greifen die meist kataly- tisch belegten Elektroden nicht in den Strom liefernden Vorgang ein. Daher werden aus dem Elektrodenmaterial auch keine Schwermetall-Ionen gebildet. Auch Alkohole und Zuckerlösungen können theoretisch als Brennstoff dienen. Dies wäre eine Möglichkeit für Entwicklungsländer, die nicht auf Erdölreserven zurück- greifen können, Naturprodukte zu nutzen. Allerdings ist der Wirkungsgrad dieser Zellen so gering, dass noch einiges an Forschungsarbeit für eine ausgereifte und sinnvolle Spannungsquelle notwendig ist. Die PEM-Brennstoffzelle (PEM-FC = Proton Exchange Membrane Fuel Cell) Bei dieser Brennstoffzelle sind die Reaktionspartner Wasserstoff und Sauerstoff. Für diese Reaktion benötigt man als Katalysator Platin. Der Elektrolyt ist eine Poly- mermembran, die nur Protonen durchlässt. An der Anode wird der Wasserstoff oxi- diert, an der Katode der Sauerstoff reduziert (Abb. 75.2). Die Gesamtreaktion dieser Brennstoffzelle lautet: O 2 + 2 H 2 → 2 H 2 O. Die Spannung dieser Zelle beträgt 1,23V. Mit dem Modellversuch 75.1 kann die Funktionsweise einer Brennstoffzelle demons- triert werden. Anwendungen der Brennstoffzelle Große Bedeutung haben Brennstoffzellen schon längere Zeit in der Raumfahrt. Erst Anfang 1990 kam die Entwicklung von Brennstoffzellen- und Wasserstofffahrzeugen in Gang. Mittlerweile haben nahezu alle großen Automobilhersteller eigene Entwick- lungen vorgestellt. Am Flughafen München wurde die weltweit erste Wasserstoff- Tankstelle errichtet. Die Anlage ist sowohl auf die Betankung mit Flüssigwasserstoff für PKWs als auch auf die Betankung mit gasförmigen Wasserstoff für Niederflur- Gelenkbusse ausgelegt. Der gasförmige Wasserstoff wird vor Ort durch Elektrolyse hergestellt, wird verdichtet und in einen Metallhydridspeicher eingelagert. Im Rahmen des Projekts CUTE (Clean Urban Transport for Europe) sind in 9 europä- ischen Städten Europas (Hamburg, London, Amsterdam, Stockholm, Luxemburg, Madrid, Barcelona, Porto und Stuttgart) Brennstoffzellenbusse im Großstadtverkehr im Einsatz. Auch für portable Anwendungen sind Brennstoffzellen geeignet. Die Vorteile ge- genüber konventionellen Akkus und Batterien liegt auf der Hand: • drei bis fünf Mal längere Laufzeit • geringeres Gewicht • schnelleres Aufladen • wesentlich längere Lebensdauer • mehr Ladezyklen • Preisvorteil • Umweltverträglichkeit Aus diesem Grund haben sich bereits einige Firmen auf die Entwicklung von porta- blen Brennstoffzellen als Batterie- und Akkuersatz spezialisiert. ■ 75.1: Modell einer Brennstoffzelle Man füllt in ein U-Rohr KOH ( c = ca. 5 mol/L). Über 2 Grafit-Elektroden legt man einige Volt Spannung an und lässt die Wasserelektrolyse kurze Zeit laufen. Im porösen Grafit sammelt sich genügend Wasserstoff bzw. Sauerstoff an, sodass das System als Brennstoffzellen- modell dienen kann. Man misst die Spannung und betreibt ein Lämpchen bzw. einen 2V- Motor. LeHReRVeRSUCH Energie Brennstoff Wasserstoff Methanol Hydrazin SYSTEM Brennstoffzelle Oxidations- mittel Sauerstoff Luft Reaktionsprodukte O 2 H 2 Wasser O 2 + H 2 O + 2 e – 2 OH – H 2 + 2 OH – 2 H 2 O + 2 e – 1 2 KOH Abb. 75.2: Schema des Knallgas-Elementes Abb. 75.1: Schema eines Brennstoff-Elementes Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv