Experimente:
Versuch: Betrieb einer Brennstoffzelle
Versuch: Betrieb einer Brennstoffzelle mit Glucose

Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, bei der die chemische Energie, die sonst bei Verbrennungsprozessen freigesetzt wird, zum größten Teil direkt in elektrische Energie umgewandelt wird.
In der Brennstoffzelle wird unter Vermittlung von katalytisch wirkenden Elektroden aus Metallen wie Platin oder Nickel der Prozess, der bei einer Verbrennung oder Knallgasreaktion ungebremst abläuft, so fein gesteuert, dass Reaktionsenergie bei der Verbrennung von Wasserstoff nicht als wertlose Wärme frei wird, sondern in hochwertige elektrische Energie umgewandelt werden kann. Als Reaktionsprodukt entsteht je nach Brennstoff nur Wasser, CO₂ oder Stickstoff.
Die Verbrennungsreaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff ist eine Redox-Reaktion mit Elektronenübertragung, auch wenn es auf den ersten Blick nicht so deutlich ist. Die Wasserstoffatome übertragen je ein Elektron auf Sauerstoffatome. Dabei wird Energie frei, bestenfalls unter gleichmäßiger Verbrennung, schlimmstenfalls wie bei der Knallgasexplosion.
Wenn man Elektronenabgabe und -aufnahme an getrennten Orten ablaufen lässt, fließt dazwischen ein elektrischer Strom. Wasserstoff und Sauerstoff reagieren ohne Flammenerscheinung und Explosion zu Wasser (-> Versuch). Man spricht hier treffend von "Kaltem Feuer".

Die Elektroden von Brennstoffzellen sind Redox-Katalysatoren
Die elektronenübertragende Wirkung der Metalle als Redox-Katalysatoren beruht auf folgendem Mechanismus. Zunächst adsorbieren sie die Moleküle von Brennstoff bzw. Oxidationsmittel. Wasserstoff wird dabei vom Platin in einzelne Atome gespalten und regelrecht aufgesogen. Dabei geben die Wasserstoffatome ihre Elektronen ab, werden also oxidiert. Die Elektronen wandern durch das Metallgitter von Elektrode und äußerem Leiter zum anderen Pol, wo Sauerstoff adsorbiert ist. Dieser nimmt aus dem Metallgitter des Platins die Elektronen auf und wird reduziert. Elektroden, die nur Redoxprozesse katalysieren und sich dabei stofflich nicht verändern, nennt man Elektroden III. Art.
Statt Platin kann man auch andere Metalle aus der gleichen Ecke des PSE nehmen. Es handelt sich bei allen um die bekannten "Hydrierkatalysatoren". Beispiele sind die Platinmetalle und die Metalle der Eisengruppe. Mit Nickel hydriert man bei Fetthärtung ungesättigte Fettsäuren. Eisen ist der Katalysator bei der Haber-Bosch-Synthese. In der Brennstoffzelle sind die Eisengruppen-Metalle direkt nur an der Anode einsetzbar, also als Oxidierkatalysatoren. An der Kathode bilden sie mit dem Sauerstoff zu leicht Oxide. Das umgeht man, indem man zum Beispiel von vornherein Nickel/Nickeloxid-Elektroden mit speziellem Gitteraufbau einsetzt.
Nickel ist vielleicht nicht so effektiv wie Platin, dafür aber billiger.
Es wird deutlich, dass eine Vergrößerung der Elektrodenoberfläche die Stromausbeute erhöht. Zum Vergrößern der Oberfläche stellt man feinstverteilte Platinkristalle her. Dazu fällt man Platinmetall reduktiv auf dem Trägermaterial aus. Ein Problem ist, dass diese Kriställchen zusammenwachsen und die Oberfläche dadurch verkleinern.
Man kann auch feinstverteiltes Nickel sintern (Raney-Nickel). Diese Nickelschaumelektroden sind relativ stabil.

Zur Information über die technische Realisierung der Gasdiffusions-Elektroden bei den Brennstoffzellen haben wir eine Folie vorbereitet.

Warum die Leistung der Brennstoffzellen so konstant ist
Da an den Elektronenübertragungsreaktionen nur Nichtmetalle bzw. deren ungeladene Verbindungen beteiligt sind, sind die Vorgänge an den Elektrodenoberflächen ausschließlich diffusionsbestimmt. Es treten deshalb auch bei stärkerem Stromfluss keine Polarisationen und Grenzschichten auf, die von ionischen Edukten nicht durchwandert werden können. Das führt dazu, dass die energieliefernden Prozesse bei einer Brennstoffzelle über einen weiten Bereich (anders als bei den klassischen galvanischen Elementen wie zum Beispiel dem Bleiakku) unabhängig von der Stromentnahme sind. Erst wenn die Leistungsanforderungen zu hoch werden, gelangen auch durch Diffusion nicht ausreichend Edukte an die Oberfläche, die Spannung und Leistung der Brennstoffzelle brechen ein.

Zur Vertiefung des Themas "Brennstoffzellen" haben wir eine eigene große Webseitensammlung erstellt.

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