Brennstoffzelle

Brennstoffzelle Übung

• Nenne die Voraussetzungen für das Funktionieren einer Brennstoffzelle.

  Tipps

  Überlege, wer für die elektrische Leitfähigkeit im Wasser verantwortlich ist.

  Leitet Leitungswasser den elektrischen Strom?

  Destilliertes Wasser leitet den elektrischen Strom nicht.

  Lösung

  Für die elektrische Leitfähigkeit sind die Ionen in einer Lösung verantwortlich. Man bezeichnet solche Lösungen auch als Elektrolyt. Immer dann, wenn Säuren, Basen oder Salze in Wasser dissoziieren, entstehen solche Elektrolyte. Da bei den Vorgängen in einer Brennstoffzelle diese Prozesse sehr wichtig und ausschlaggebend sind, braucht man sie als Grundlagenwissen für das Verständnis der Funktionalität. Der Gewinnung der elektrischen Energie liegt die Knallgasreaktion zugrunde. Es wird also chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt.

• Beschreibe den unterschiedlichen Aufbau von Brennstoffzellen für die Energiegwinnung.

  Tipps

  Ionen sind elektrisch geladene Teilchen.

  Je größer die Oberfläche eines Materials, desto größer die Wirkungen an der Oberfläche.

  Lösungen mit Ionen leiten den elektrischen Strom.

  Lösung

  Brennstoffzellen werden nach der Art des verwendeten Elektrolyts, der Lösung zwischen den Elektroden, benannt. Benutzt man eine in Lösung befindliche Säure, die dissoziiert ist, spricht man von sauren Brennstoffzellen. Verwendet man eine Lösung aus einer Base, spricht man von einer basischen Brennstoffzelle. Die Elektroden bestehen aus Metallen, meist aus Nickel.

• Nenne die Verwendung von Brennstoffzellen.

  Tipps

  Überlege, warum Brennstoffzellen noch nicht geeignet sind, große Fahrzeuge anzutreiben.

  Es geht darum, in welchen Fahrzeugen sie eingesetzt werden könnten.

  Lösung

  Brennstoffzellen sind Energielieferanten. Sie können auf kleinstem Raum Energie produzieren. Deshalb sind sie sehr gut für die Verwendung in kleinen Geräten und als Antrieb für kleinere Fahrzeuge geeignet. Um für stärkere Antriebe genutzt zu werden, müssen noch technische Lösungen gefunden werden. Auf jeden Fall sind sie aber bereits jetzt eine Form der alternativen Energiegewinnung.

• Benenne die Vorteile von Brennstoffzellen gegenüber konventionellen Energiequellen.

  Tipps

  Überlege, welche Faktoren für das Klima schädlich sind.

  Zu den Umweltbelastungen gehört auch Lärm.

  Lösung

  Brennstoffzellen verbrauchen keine fossilen Brennstoffe. Sie haben einen deutlich höheren Wirkungsgrad als viele andere Energielieferanten. Brennstoffquellen geben kein klimaschädigendes Kohlenstoffdioxid ab. Sie arbeiten völlig geräuschlos. Mit diesen Eigenschaften sind sie eine Energiequelle, die sehr umweltfreundlich ist.

• Beschreibe die Vorgänge an den Elektroden einer Brennstoffzelle.

  Tipps

  Wie verändert sich die Ladung von Teilchen, wenn sie Elektronen aufnehmen?

  Teilchen, die positiv geladen sind, haben Elektronen abgegeben, weil Elektronen negativ sind.

  Lösung

  Eine Brennstoffzelle ist ein galvanisches Element, bei dem das Reduktionsmittel der Brennstoff gasförmiger Wasserstoff ($H_2$) ist. Wasserstoff gibt Elektronen ab und reduziert dadurch den in die Brennstoffzelle eingeführten Sauerstoff. Dabei entsteht ein Molekül Wasser. Diese Reaktion, die als Knallgasreaktion bekannt ist, dient in der Brennstoffzelle direkt der Stromerzeugung. Die in die Zelle eingebrachten Metalle wirken als Elektroden.

• Formuliere die Redoxreaktionen in einer Zink-Luft-Brennstoffzelle.

  Tipps

  Überlege, welche Reaktionen an den Elektroden einer galvanischen Zelle ablaufen.

  Denke daran, dass ein Ladungsträgeraustausch erfolgen muss, damit eine elektrische Spannung entstehen kann.

  Die Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten (Elektroden) ist immer die elektrische Spannung.

  Lösung

  Die an den Elektroden einer Brennstoffzelle ablaufenden Reaktionen sind die Oxidation und Reduktion. Die Oxidation ist immer eine Elektronenabgabe, d.h. der Stoff, der Elektronen abgibt, wird positiv geladen. Eine Reduktion ist immer eine Aufnahme von Elektronen, d.h. der Stoff wird negativ geladen, da er einen Elektronenüberschuss hat. Die Gesamtreaktion heißt dann Redoxreaktion. In der Brennstoffzelle entstehen so die beiden Elektroden: eine wird negativ und die andere positiv geladen. Damit wird ein Ladungsträgerfluss über den Elektrolyten möglich. Es fließen Ladungsträger und eine elektrische Spannung entsteht. An einer Kathode werden immer positive Ladungsträger entladen, da sie einen Überschuss an Elektronen hat. An der Anode werden Elektronen abgegeben. Diese fließen zur Kathode, die somit negativ wird. In der Zink-Luft-Zelle (Sauerstoff) fließen vier Elektronen, die vom Zink kommen und vom Sauerstoff aufgenommen werden. Das Wasser des Elektrolyts vermittelt die Reaktion zu $4~OH^-$.