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Tutorial MenueElektrochemieLerneinheit 6 von 9

Brennstoffzellen - Funktionsweise und Anwendungen

Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle

Ein verbreiteter Brennstoffzellentyp ist die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Sie wandelt chemische Energie in elektrische Energie um - geräuscharm1), effizienter als Verbrennungsmotoren und ohne das Treibhausgas Kohlendioxid zu emittieren.

Eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle kann in saurem oder alkalischem Medium betrieben werden, wobei meist Kalilauge als Elektrolyt verwendet wird.

Tab.1
Strom liefernde Reaktionen in Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen in sauren und alkalischen Medien
alkalische Lösung Anode H2+ 2OH 2H2O+ 2e
Kathode ½O2+ H2O+ 2e 2OH
saure Lösung Anode H2 2H++ 2e
  Kathode ½O2+ 2H++ 2e H2O

Die Beschaffenheit der Elektrodenoberfläche entscheidet über die Geschwindigkeit der Brennstoffzufuhr

Am Ablauf der Strom liefernden Reaktionen sind jeweils drei Phasen beteiligt: die feste Elektrode, der flüssige Elektrolyt und die Brenngase. Die Gase müssen sich erst im Elektrolyten lösen und dann durch ihn bis zur Elektrode diffundieren, wo die Brennstoffe reduziert bzw. oxidiert werden.

Abb.1
Schematische Darstellung der Dreiphasenzone

Nur in der Dreiphasenzone, wo alle drei Phasen nahe beieinander liegen (Abb. 1) , finden die Reaktionen im nennenswerten Maßstab statt. Der Grund: Wasserstoff- und Sauerstoff-Moleküle lösen sich in einer wässrigen Lösung schlecht (ca. 103 mol L-1 im Normzustand). Ist ihr Diffusionsweg zur Elektrode zu lang, kommt dort kaum noch Brennstoff an und der elektrische Strom, den die Brennstoffzelle produzieren kann, ist zu schwach. Nur in der Dreiphasenzone ist der Weg von der Flüssigkeits- zur Elektrodenoberfläche kurz genug, um eine akzeptable Versorgung mit Brennstoffen zu gewährleisten.

Das Ziel bei der Entwicklung von Zellen für gasförmige Brennstoffe ist es also, eine möglichst große Dreiphasengrenze zu schaffen. Das erreicht man, indem man die Oberflächen der Elektroden vergrößert. Poröse Folienelektroden, die zwischen Elektrolyt- und Gasraum angeordnet sind, haben im Gegensatz zu kompakten Elektrodenmaterial eine besonders große Oberfläche. In einer solchen Gasdiffusionselektrode läuft die Strom liefernde Reaktion auf der großen Oberfläche ab, welche die vielen Poren schaffen. Als Elektrodenmaterial bewährt haben sich mit Platinmetallen und Silber beschichtete Graphit-Elektroden.

Während des Betriebs der Elektrode dürfen sich die Poren weder durch zu hohe Kapillarkräfte mit Elektrolyt vollsaugen, noch darf der Elektrolyt durch zu hohen Gasdruck aus den Poren ganz verdrängt werden. In beiden Fällen gäbe es keine Dreiphasenzone und damit keinen oder kaum Brennstoff, der die Elektrode erreichen kann. Um keinen bestimmten Gasdruck aufrechterhalten zu müssen, damit sich das Porengleichgewicht einstellen kann, benutzt man entweder Doppelschichtelektroden oder hydrophobierte Elektroden (Abb. 2) .

Doppelschichtelektroden besitzen eine feinporöse Schicht, die sich durch Kapillarkräfte mit Elektrolyt vollsaugt. Daran schließt eine weitere Schicht an, die so grobporös ist, dass sie sich nicht vollsaugen kann, weil die Kapillarkräfte in den Poren nicht mehr ausreichen. Die Dreiphasenzone befindet sich dann an der gesamten Grenzfläche zwischen den beiden Schichten. Den gleichen Effekt erreicht man mit einer hydrophobierten Elektrode, wenn die "Gasseite" einer porösen Plattenelektrode wasserabweisend (hydrophob) ist.

Abb.2
Schematische Darstellung einer Doppelschichtelektrode und einer hydrophobierten Elektrode

Brenngase müssen rein sein, sonst vergiften sie die Katalysatoren

Die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle kann nur mit sehr reinen Brenngasen betrieben werden. Verwendet man Luftsauerstoff als Oxidationsmittel, gelangt auch Kohlendioxid (CO2) in die Zelle. Dies bildet in alkalischem Medium Carbonat (CO32). Wird so viel Carbonat produziert, dass dessen Sättigungskonzentration überschritten wird, fällt es als Feststoff aus und verstopft die Poren, sodass die Zelle unbrauchbar wird. Dasselbe Problem besteht auch mit kostengünstigem Wasserstoff, der beim katalytischen Reformieren von Rohbenzin anfällt: Er ist mit großen Mengen Kohlendioxid verunreinigt. Deshalb müssen die Brenngase meist durch Elektrolyse gewonnen werden, was den Betrieb dieser Art von Brennstoffzelle teuer macht und den kommerziellen Einsatz noch verhindert.

Brauchbare Speicherlösungen für Wasserstoff müssen noch entwickelt werden

Ein weiteres Problem stellt die Handhabung und Speicherung der Brenngase dar. Die Entwicklung von leistungsfähigen und einfach einsetzbaren Wasserstoff-Speichern gehört zu einer der wichtigen Herausforderungen einer zukünftigen Wasserstoff-Wirtschaft. Der Speicherung von Wasserstoff wird in der ChemgaPedia deshalb ein eigenes Kapitel gewidmet werden.

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