105Redoxreaktionen – ElektrochemieBrennstoffzellen B4 Schematische Darstellung einer PEMBrennstoffzelle. A: Erläutern Sie anhand dieser Skizze das Funktionsprinzip der PEMBrennstoffzelle und informieren Sie sich unter Chemie 2000+ Online über Wasserstoff als Energieträger der Zukunft. B5 Stapel von Brennstoffzellen in einem Hybrid-Auto. A: Erläutern Sie, warum nur Wasserstofftanks (keine Sauerstofftanks) notwendig sind. Eine Brennstoffzelle könnte man als „langlebige Batterie mit Zuleitung und Abfluss“ bezeichnen. Eine Brennstoffzelle hat einen großen Vorteil: Sie kann elektrische Energie kontinuierlich nutzbar machen, wenn man Brennstoffe zuführt und Reaktionsprodukte ableitet. Bei einer herkömmlichen Batterie sind die energieliefernden Reaktionen dagegen zeitlich begrenzt und Akkumulatoren müssen immer wieder zeitaufwendig aufgeladen werden. Als Brennstoff für eine Brennstoffzelle dient in der Regel Wasserstoff. Ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff („Knallgas“) reagiert bei Entzünden explosionsartig, die Reaktion ist stark exergonisch. 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(l); ,G°R = –474 kJ Die Energie dieser stark exergonischen Reaktion wird in einer Brennstoff zelle „kalt“ als elektrische Energie genutzt (V1, V2). Die Spannung von U = 1,23 V, die man bei der Knallgas-Brennstoffzelle misst, ergibt sich aus den Elektrodenpotenzialen der beteiligten Halbzellen (vgl. Auswertung b). In der technischen Anwendung unterscheidet man mehrere Typen von Brennstoffzellen, die sich vor allem darin unterscheiden, wie die Reaktions räume der beiden Gase getrennt werden. Die gebräuchlichste Brennstoff zelle ist die PEM-Brennstoffzelle (PEM = Proton Exchange Membrane), bei der die Wasserstoffund Sauerstoff-Halbzellen durch eine für Protonen durchlässige Membran getrennt sind. Auf diese ist ein Katalysator aufgetragen, der die Elektrodenreaktionen ermöglicht (B4). Diese Zelle liefert in der Technik eine Spannung von etwa 1 Volt. Um höhere Spannungen zu er reichen, werden solche Brennstoffzellen hintereinandergeschaltet und gestapelt (B5). Die Knallgas-Brennstoffzelle hat den Vorteil, dass ihr Betrieb umwelt freundlich ist, da sie keine schädlichen Abgase, sondern nur Wasser erzeugt. Dies gilt aber nur dann, wenn der Energieträger Wasserstoff durch umweltfreundlich erzeugten Strom (z.B. mit Windenergie oder photovoltaisch, vgl. S. 81) gewonnen wird. Anstelle von Wasserstoff können auch andere Brennstoffe eingesetzt werden, z.B. Erdgas, das fast ausschließlich aus Methan besteht. So lassen sich z.B. Häuser mit Erdgas-Brennstoffzellen beheizen. Hierzu muss das Methan in einem sog. Reformer zunächst kata lytisch mit Wasserdampf in Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid umgewandelt werden: CH4(g) + 2 H2O(g) 4 H2(g) + CO2(g) Das gebildete Wasserstoffgas kann dann in eine PEM-Brennstoffzelle eingeleitet werden. In Methanol-Brennstoffzellen wird Methanol CH3OH als Brennstoff eingesetzt. Es hat gegenüber Wasserstoff und Methan den Vorteil, dass es in Flüssigkeitstanks transportiert und aufbewahrt werden kann. Aufgabe A1 Informieren Sie sich über weitere, auf dieser Seite nicht genannte Typen von Brennstoffzellen. Nennen Sie Gemeinsamkeiten und Unterschiede zu diesen. Verbrennungsmotor Brennstoffzelle Wasserstofftank Fachbegriffe Knallgas-, Erdgasund MethanolBrennstoffzelle, PEM-Brennstoff zelle Aufgabe A2 Die Brennstoffzelle ist „älter“ als die Taschenlampenbatterie (vgl. S. 95) und der Bleiakkumulator (vgl. S. 99). Nennen Sie Argumente, warum ihre technische Nutzung so lange vernachlässigt wurde. 3377_01_01_2012_Kap2_058_123 23.09.14 06:27 Seite 105 Nu r z u Pr üf zw ec ke n Ei ge nt um d es C .C . B uc hn er V e la gs