Wasserstoffseite · Anode
Ein Katalysator erleichtert die Oxidation von H₂. Dabei entstehen Protonen und Elektronen. Im Strom liefernden Betrieb ist diese Elektrode der Minuspol.
Chemie · Klasse 10–13 · Grundlagen & Vertiefung
Brennstoffzellen
Wie entsteht aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrischer Strom? Verfolge Elektronen und Protonen in einer PEM-Brennstoffzelle und prüfe, welche Stoffmengen miteinander reagieren.
2 H₂ + O₂ → 2 H₂O
Chemische Energie wird in elektrische Energie und Wärme umgewandelt.
Die Reaktionsstoffe werden von außen zugeführt.
Eine galvanische Zelle mit laufender Stoffzufuhr
Eine Brennstoffzelle wandelt die chemische Energie zugeführter Reaktionsstoffe elektrochemisch in elektrische Energie um. Bei einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser.
Anders als in einer geschlossenen Batterie werden Brennstoff und Oxidationsmittel während des Betriebs von außen bereitgestellt. Reaktionsprodukte und Wärme müssen abgeführt werden. Die Zelle kann anhaltend Strom liefern, solange Stoffzufuhr, Stromkreis und geeignete Betriebsbedingungen erhalten bleiben.
Die Reaktion ist keine gewöhnliche Flamme. Oxidation und Reduktion finden an getrennten Elektroden statt. Dadurch können die Elektronen über einen äußeren Verbraucher fließen.
Das lernst du: den Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle erklären, Elektronen- und Protonenweg unterscheiden, Teilgleichungen bilanzieren und limitierende Stoffmengen bestimmen. Grundlage: Galvanische Zellen.
Das PEM-Modell: zwei Elektroden und eine Membran
Hier betrachten wir eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, kurz PEM-Brennstoffzelle. Die Membran leitet Protonen (H⁺), sperrt aber den direkten Elektronenweg durch das Zellinnere weitgehend. H⁺ ist dabei die vereinfachte Schreibweise; der Transport findet in der protonenleitenden Membranstruktur statt.
Sauerstoffseite · Kathode
Sauerstoff nimmt Elektronen aus dem äußeren Leiter auf und reagiert mit Protonen zu Wasser. Im Strom liefernden Betrieb ist diese Elektrode der Pluspol.
Membran
Sie trennt die Reaktionsräume und ermöglicht den Protonentransport. Die Elektronen müssen für den Nutzstrom den äußeren Leiter nehmen.
Katalysator und Stoffversorgung
Der Katalysator beschleunigt die Elektrodenreaktionen. Wasserstoff und Sauerstoff werden zugeführt; der Sauerstoff kann aus Luft stammen. Der Katalysator ist keine zusätzliche Energiequelle.
Die Reaktion Schritt für Schritt ausgleichen
1 · Anode: Wasserstoff wird oxidiert
2 H₂ → 4 H⁺ + 4 e⁻
Ein H₂-Molekül liefert zwei Elektronen. Wir schreiben zwei H₂-Moleküle, damit die vier Elektronen zur Sauerstoffreaktion passen.
2 · Kathode: Sauerstoff wird reduziert
O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ → 2 H₂O
Die Protonen kommen durch die Membran, die Elektronen über den äußeren Stromkreis. Beide werden für die Wasserbildung benötigt.
3 · Addieren und kürzen
2 H₂ + O₂ → 2 H₂O
Vier Protonen und vier Elektronen stehen in den Teilgleichungen jeweils auf beiden Seiten und kürzen sich. Atome und Ladung sind ausgeglichen.
Das Verhältnis 2 : 1 : 2 gilt für Stoffmengen. Zwei Mol Wasserstoff reagieren mit einem Mol Sauerstoff zu zwei Mol Wasser. Es ist kein Massenverhältnis. Für Gasvolumina gilt das entsprechende Verhältnis von H₂ zu O₂ nur bei gleichem Druck und gleicher Temperatur.
Elektronen außen, Protonen innen
Wähle einen Betriebszustand. Welcher Weg oder welcher Reaktionsstoff fehlt jeweils?
Elektronen: Anode → Verbraucher → Kathode
Anode · Minuspol
H₂ wird oxidiert.
2 H₂ → 4 H⁺ + 4 e⁻
Membran
H⁺: Anode → Kathode
Kein direkter Elektronenweg.
Kathode · Pluspol
O₂ wird reduziert.
O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ → 2 H₂O
Stoffzufuhr und beide Ladungstransportwege ermöglichen einen anhaltenden Nutzstrom.
Qualitative Darstellung einer PEM-Zelle. Nach Unterbrechung der Stoffzufuhr können vorhandene Restgase zunächst weiter reagieren; gezeigt wird der Zustand nach ihrem Verbrauch. Reale Gasverteilung, Membranfeuchte, Verluste und kurze Übergangseffekte werden nicht berechnet.
Brennstoffzelle, Akku und Elektrolyse unterscheiden
| System | Was passiert? |
|---|---|
| Akku beim Entladen | Im Akku gespeicherte Reaktionsstoffe verändern ihren Zustand und liefern elektrische Energie. |
| Akku beim Laden | Elektrische Energie stellt innerhalb des vorgesehenen Bereichs einen energiereicheren chemischen Zustand wieder her. |
| Brennstoffzelle | Von außen zugeführter Brennstoff und Sauerstoff reagieren; elektrische Energie, Wasser und Wärme entstehen. |
| Wasserelektrolyse | Elektrische Energie wird eingesetzt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. |
Die Gesamtreaktion der Wasserelektrolyse ist die Gegenrichtung der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Das bedeutet aber nicht, dass jedes Gerät ohne Weiteres für beide Betriebsarten geeignet ist.
Elektrolyse: 2 H₂O → 2 H₂ + O₂
Brennstoffzelle: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O
Stoffmengen: Der knappere Partner begrenzt den Umsatz
Die Reaktionsgleichung verlangt doppelt so viel H₂ wie O₂, jeweils in Mol. Prüfe deshalb, wie viel Wasserstoff der vorhandene Sauerstoff umsetzen kann.
Beispiel · 5 mol H₂ und 2 mol O₂
2 mol O₂ können 4 mol H₂ umsetzen. Es stehen 5 mol H₂ bereit, also ist Sauerstoff der limitierende Stoff.
Umgesetzt: 4 mol H₂ und 2 mol O₂.
Gebildet: 4 mol H₂O.
Übrig: 1 mol H₂ und 0 mol O₂.
Bei einer laufend versorgten Zelle sind statt einmaliger Vorräte oft Stoffströme pro Zeit wichtig. Das folgende Labor zeigt eine begrenzte Stoffportion, damit die Bilanz leicht nachvollziehbar bleibt.
Stoffportionen bilanzieren
Wie viel Wasser kann höchstens entstehen, wenn diese Portion vollständig im idealisierten Modell umgesetzt wird?
Sauerstoff begrenzt: maximal 4 mol H₂O; 1 mol H₂ bleibt übrig.
Stöchiometrische Obergrenze mit vollständiger Nutzung des limitierenden Stoffes und ohne Nebenreaktionen. Reale Brennstoffzellen setzen zugeführte Gase nicht zwingend vollständig um. Die Stoffbilanz ist keine Aussage über die Geschwindigkeit oder die elektrische Energieausbeute.
Warum nicht die gesamte chemische Energie als Strom ankommt
Eine Brennstoffzelle erzeugt neben elektrischer Energie auch Wärme. Ein Teil der zugeführten Energie ist nicht als elektrische Arbeit verfügbar; zusätzlich treten technische Verluste auf. Nutzbare Wärme kann je nach Anlage separat verwendet werden.
ηel = Wel / Ezugeführt
Für Prozentangaben multiplizierst du den Quotienten mit 100 %. Der elektrische Wirkungsgrad muss sich auf eine klar definierte Energiezufuhr und Systemgrenze beziehen. Bei Wasserstoff muss beispielsweise klar sein, ob Heizwert oder Brennwert als Bezug verwendet wird.
Rechenbeispiel mit vorgegebenen Energien
Eine Modellanlage erhält 80 kJ chemische Energie und liefert 48 kJ elektrische Energie. Dann gilt ηel = 48/80 = 0,60 = 60 %. Die übrigen 32 kJ werden in diesem vereinfachten Bilanzrahmen nicht als elektrische Energie abgegeben.
Das ist ein Rechenbeispiel mit festgelegter Systemgrenze, kein allgemeiner Wirkungsgrad jeder Brennstoffzelle.
Auch die Zellspannung unter Last hängt unter anderem von Stromdichte, Temperatur und Stoffversorgung ab. Mehr zugeführter Wasserstoff allein bedeutet nicht, dass die Spannung beliebig steigt.
Wasserstoff ist ein Energieträger
Wasserstoff muss für solche Anwendungen zunächst bereitgestellt werden. Wird er durch Elektrolyse erzeugt, wird zuvor elektrische Energie eingesetzt. Speicherung, Transport und die spätere Rückverstromung verursachen weitere Aufwände und Verluste.
Bei einer mit reinem Wasserstoff betriebenen Brennstoffzelle entsteht aus der beschriebenen Zellreaktion kein CO₂, sondern Wasser. Für die Klimabilanz der gesamten Versorgungskette kommt es jedoch darauf an, wie Wasserstoff und benötigte Energie bereitgestellt wurden.
Kein Kreislauf ohne Verluste: Aus Strom Wasserstoff zu erzeugen und daraus wieder Strom zu gewinnen liefert nicht die gesamte eingesetzte elektrische Energie zurück.
Selbstcheck: Wege, Reaktionen und Mengen
Welche Teilchen passieren im PEM-Modell die Membran?
Wähle eine Antwort.
Die Aufgaben beziehen sich auf das PEM-Modell und die ideale Stoffbilanz.
1 · Was unterscheidet die Brennstoffzelle von einer geschlossenen Batterie?
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Woher kommen die Reaktionsstoffe?
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Der Brennstoff und das Oxidationsmittel werden bei der Brennstoffzelle von außen zugeführt. Produkte und Wärme werden abgeführt. Eine geschlossene Batterie verwendet ihre intern gespeicherten aktiven Stoffe.
2 · Formuliere die Oxidation von zwei H₂-Molekülen.
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Achte auf Wasserstoffatome und Ladung.
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2 H₂ → 4 H⁺ + 4 e⁻. Die Ladung ist insgesamt auf beiden Seiten null.
3 · Wo entstehen im PEM-Modell Wasser und Nutzstrom?
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Unterscheide Reaktionsort und Ladungstransportweg.
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Wasser entsteht in der Kathodenreaktion. Elektronen fließen über den äußeren Verbraucher von der Anode zur Kathode; Protonen passieren die Membran.
4 · 8 mol H₂ reagieren vollständig. Wie viel O₂ ist nötig?
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Verhältnis H₂ : O₂ = 2 : 1.
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Benötigt werden 4 mol O₂. Dabei entstehen 8 mol H₂O, sofern keine Nebenreaktionen und keine Stoffverluste auftreten.
5 · 3 mol H₂ und 2 mol O₂: Was bleibt übrig?
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3 mol H₂ benötigen nur 1,5 mol O₂.
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Wasserstoff begrenzt. Es entstehen maximal 3 mol H₂O. Übrig bleiben 0,5 mol O₂; H₂ wird vollständig verbraucht.
6 · 5 mol H₂ und 2 mol O₂: Wie viel Wasser entsteht höchstens?
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2 mol O₂ setzen 4 mol H₂ um.
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Maximal 4 mol H₂O. 1 mol H₂ bleibt übrig. Sauerstoff ist der limitierende Stoff.
7 · Eine Anlage erhält 100 kJ und liefert 55 kJ elektrisch. Wirkungsgrad?
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Elektrische Nutzenergie durch zugeführte Energie teilen.
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ηel = 55/100 = 0,55 = 55 %. Die restlichen 45 kJ sind innerhalb der festgelegten Bilanz nicht elektrische Nutzenergie.
8 · Fehlerdetektiv: „Strom → H₂ → Strom funktioniert verlustfrei.“
Tipp öffnen
Betrachte beide Umwandlungen und die Versorgungskette.
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Falsch. Elektrolyse und Brennstoffzelle sowie gegebenenfalls Speicherung und Transport haben Verluste beziehungsweise Energiebedarf. Es kommt weniger elektrische Energie zurück als ursprünglich eingesetzt wurde.
Für den Unterricht: zwei Wege getrennt erklären
25–35 Minuten · ab Klasse 10: Eine Gruppe erklärt den Elektronenweg, eine zweite den Protonenweg. Beide müssen die jeweilige Quelle, den Weg und den Ort der Verwendung nennen. Anschließend im Modell die Stoffzufuhr oder den äußeren Stromkreis unterbrechen.
Rechenphase: Das Stofflabor zunächst mit genau passenden Mengen verwenden, danach mit einem Überschuss. Lernende sollen vor dem Umschalten den limitierenden Stoff und die Restmenge bestimmen.
Vertiefung: Elektrolyse und Brennstoffzelle als Gegenrichtungen aufschreiben. Danach erklären lassen, warum daraus weder ein verlustfreier Energiekreislauf noch automatisch dieselbe Technik für beide Richtungen folgt.
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