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Elektrochemische Stromquellen

Brennstoffzelle

Heute wird in großem Umfang elektrische Energie aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe (Kohle, Erdöl, Erdgas) erzeugt und zwar mit Hilfe von Wärmekraftmaschinen unter erheblichen Energieverlusten (Wirkungsgrad ca. 30 % bis 40 %). Diese Verbrennungsreaktionen sind natürlich auch Redoxprozesse, z.B.

C-IVH4+ 2O02 C+IVO-II2+ 2H2O

Prinzipiell sollten sie mit erheblich höherem Wirkungsgrad auf elektrochemischem Wege erfolgen können, d.h. Oxidations- und Reduktionsvorgang müssten in den Halbzellen eines Brennstoffelements stattfinden. Dabei würden die Brennstoffe (Reduktionsmittel) kontinuierlich an einer Elektrode oxidiert, gleichzeitig würde das Oxidationsmittel Sauerstoff an der Gegenelektrode reduziert.

Die Entwicklung der Brennstoffelemente ist allerdings trotz des starken Interesses an diesen Arbeiten noch immer nicht zu technischer Verwendbarkeit gediehen. Die Schwierigkeiten bei der elektrochemischen Oxidation von Kohlenstoff, CO, CO4, CH3OH und ähnlichen leicht verfügbaren Brennstoffen liegen in den hohen erforderlichen Aktivierungsenergien begründet. Arbeitet man zur Überwindung dieser Probleme bei hohen Temperaturen, so treten erhebliche Korrosionsprobleme durch die dann als Elektrolyten notwendigen Salzschmelzen auf.

Beim Einsatz von Wasserstoff als Brennstoff lässt sich ein sogenanntes Knallgaselement konstruieren, d.h. die Kombination einer Wasserstoff- und einer Sauerstoffelektrode. Als Elektrolyt kann Kalilauge oder Schwefelsäure dienen:

H2+ 2OH 2H2O+ 2e ½O2+ H2O+ 2e 2OH H2+ ½O2 H2O
H2+ 2H2O 2H3O++ 2e ½O2+ 2H3O++ 2e 3H2O H2+ ½O2 H2O

Die Reaktion erfolgt bei Raum- oder niedrigeren Temperaturen (bis −30 °C). Für die Umsetzung des Wasserstoffs dienen als katalytisch wirksame Elektrodenmaterialien Pt, Pd, Ni, Ag, für den Sauerstoff Cobalt-Aluminium-Spinell CoAl2O4. Das Knallgaselement wird als Stromquelle in Raumfahrzeugen praktisch genutzt.

Abb.1
Schema einer Brennstoffzelle

Da es für den Reaktionsumsatz wichtig ist, dass eine möglichst große Elektrodenoberfläche zur Verfügung steht, sind die Elektroden aus porösen Doppelschichten aufgebaut. Auf der Seite der größeren Poren dringt das Gas, auf der Seite der kleineren Poren der Elektrolyt in die Elektrode ein. Die Reaktion findet nur an einem kleinen Teil der Gesamtoberfläche statt.

Abb.2

Auch Brennstoffzellen, die Methanol verbrennen, wurden mittlerweile entwickelt. Als Elektrolyt dient hier Phosphorsäure.

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