Chemie · Klasse 9–13 · aktualisiert
Brennstoffzelle: Aufbau, Reaktion und Bewertung
Die PEM-Brennstoffzelle von Membran und Teilreaktionen bis zur Wasserstoffbilanz.
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Kurz gesagt
Eine Brennstoffzelle wandelt die chemische Energie laufend zugeführter Stoffe in Strom und Wärme um. In der PEM-Zelle gehen Protonen durch die Membran, Elektronen außen durch den Verbraucher. Wasserstoff und Sauerstoff reagieren dabei zu Wasser.
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.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
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.
Merke: Die Brennstoffzelle ist kein Tank und keine aufladbare Batterie. Sie arbeitet nur weiter, solange Brennstoff und Oxidationsmittel zugeführt werden.
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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. 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.
Definition
Proton
Ein Proton ist ein positiv geladenes Wasserstoffion, \ce{H+}. Es entsteht, wenn ein Wasserstoffatom sein Elektron abgibt.
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An der Anode wird Wasserstoff oxidiert: Elektronen werden abgegeben. In \ce{2 H2} zählt die vordere 2 zwei Moleküle, die kleine 2 je Molekül zwei H-Atome. \ce{H+} trägt eine positive Ladung; \ce{e-} eine negative.
\ce{2 H2 -> 4 H+ + 4 e-}
Protonen wandern durch die Membran, Elektronen außen von der Anode zur Kathode und versorgen zum Beispiel einen Elektromotor. An der Kathode wird Sauerstoff reduziert: Er nimmt mit Protonen Elektronen auf, und Wasser entsteht.
\ce{O2 + 4 H+ + 4 e- -> 2 H2O}
In der Summe kürzen sich Protonen und Elektronen:
\ce{2 H2 + O2 -> 2 H2O}
Beispiel: Betrachte den Umsatz von zwei Wasserstoffmolekülen:
- 1An der Anode entstehen daraus vier Protonen und vier Elektronen.
- 2Die vier Protonen passieren die Membran.
- 3Die vier Elektronen fließen durch den äußeren Stromkreis.
- 4An der Kathode reagieren ein Sauerstoffmolekül, die vier Protonen und die vier Elektronen zu zwei Wassermolekülen.
- 5Die 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.
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Ein Elektrolyseur kehrt die Gesamtreaktion der Brennstoffzelle unter Zufuhr elektrischer Energie um:
\ce{2 H2O -> 2 H2 + O2}
So lässt sich Energie zeitlich verschieben: Überschüssiger Strom erzeugt im Elektrolyseur Wasserstoff; später wandelt eine Brennstoffzelle dessen chemische Energie wieder in Strom und Wärme um. Herstellung, Speicherung, Transport und Rückumwandlung kosten Energie; die Kette gibt nicht mehr nutzbare Energie zurück, als eingesetzt wurde.
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.
Merke: „Lokal entsteht Wasser“ ist eine Aussage über den Zellbetrieb. Eine Umweltbewertung muss zusätzlich Herkunft, Herstellung, Speicherung, Transport und Nutzung des Wasserstoffs einbeziehen.
Beispiel
- 1Zwei 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 Erdgas: Dabei wird Wasserstoff aus Methan abgespalten, und es entsteht Kohlendioxid.
- 2Beide 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.
Beispiel: Prüfe mindestens diese Fragen
- 1Herstellung: Mit welcher Energie wurde der Wasserstoff erzeugt? Bei der Gewinnung aus fossilen Stoffen kann Kohlendioxid entstehen.
- 2Umwandlung: Welche Energie wird für Elektrolyse und weitere Prozessschritte benötigt?
- 3Speicherung und Transport: Wasserstoff braucht geeignete Tanks und Sicherheitsmaßnahmen; Kompression oder Verflüssigung kostet zusätzliche Energie.
- 4Nutzung: Werden nur Strom oder auch die entstehende Wärme sinnvoll genutzt?
- 5Systemgrenze: Bewertest du nur die Zelle oder die gesamte Kette von der Herstellung bis zur Anwendung?
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Alles auf einen Blick
Brennstoffzelle
Aufgabe
chemische Energie in Strom und Wärme umwandeln
Aufbau
Anode, Kathode, Katalysator und PEM
Reaktionen
Wasserstoff wird an der Anode oxidiert, Sauerstoff an der Kathode reduziert; Wasser entsteht
Membran
Protonen passieren, Elektronen fließen außen
Stoffzufuhr
Wasserstoff und Sauerstoff werden fortlaufend benötigt
Bewertung
Zellbetrieb und gesamte Wasserstoffkette unterscheiden
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Die Elektronenwege erklären
- 1In einer PEM-Zelle wird der Anode Wasserstoff und der Kathode Sauerstoff zugeführt.
- 2An der Anode gibt Wasserstoff Elektronen ab. Die Protonen passieren die Membran.
- 3Die Elektronen passieren sie nicht und fließen außen durch den Verbraucher zur Kathode.
- 4Dort reagieren Sauerstoff, Protonen und Elektronen zu Wasser. Erst die getrennten Wege erklären den nutzbaren Strom.
Fehler finden
Eine Umweltbehauptung prüfen In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Das lokale Reaktionsprodukt belegt keine emissionsfreie Gesamtkette. Emissionen können vor dem Zellbetrieb entstehen.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
An der Anode wird Wasserstoff . Dabei werden Elektronen . Die Elektronen fließen durch den . An der Kathode wird Sauerstoff reduziert und es entsteht Wasser.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback