Die Brennstoffzelle. Inhaltsverzeichnis. 12. November Was versteht man unter Wasserstofftechnologie? 2

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1 Die Brennstoffzelle 12. November 2014 Inhaltsverzeichnis 1 Was versteht man unter Wasserstofftechnologie? 2 2 Funktionsprinzipien der Komponenten Der Elektrolyseur Die Brennstoffzelle Experimente und Aufgaben Der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs Die Brennstoffzelle unter Last Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle (optional) Berechnung der Spannung einer idealen Brennstoffzelle Bestimmung des Leerlaufwirkungsgrades Vertiefung: Bestimmung des Wirkungsgrads unter Last Betrieb des Wasserstoffautos Quellen 10 1

2 1 Was versteht man unter Wasserstofftechnologie? Sicherlich ist Ihnen aufgefallen, dass in den letzten Jahren die Diskussion um den Ersatz der fossilen Energieträger (Öl, Kohle, Erdgas) durch regenerative Energien und um eine CO 2 -freie Energiewandlung zugenommen hat. Bei der Nutzung regenerativer Energien, ob Wind- oder Wasserkraft oder die direkte Sonnenenergienutzung durch Solarzellen, geht es in der Regel um die Erzeugung von Elektrizität. Elektrizität ist sehr praktisch, hat aber den Abbildung 1: Wasserstofftechnologie entscheidenden Nachteil, dass sie sich nur schlecht speichern lässt. Die Wasserstofftechnologie ist eine Möglichkeit, diesen Nachteil auszugleichen, indem die Energie in chemischer Form als molekularer Wasserstoff (H 2 ) gespeichert wird. Man versteht darunter (unter anderem) den in sich geschlossenen Prozess der Herstellung molekularen Wasserstoffs aus Wasser (H 2 O) zur Energiespeicherung einerseits und seiner späteren Oxidation (zurück zu Wasser) zur Elektrizitätserzeugung andererseits. Die H 2 -Technologie besteht im Wesentlichen aus drei Elementen: dem Solarmodul, dem Elektrolyseur und der Brennstoffzelle. Abbildung 2: Die Energieumwandlungen der Wasserstofftechnologie im Überblick: Aus der Strahlungsenergie der Sonne erzeugt das Solarmodul (Solarzellen) Elektrizität, mit der im Elektrolyseur aus Wasser (H 2 O) Wasserstoff (H 2 ) und Sauerstoff (O 2 ) hergestellt werden. Der Wasserstoff wird in einem Tank gespeichert und kann an einem anderen Ort zu einer späteren Zeit mittels der Brennstoffzelle wieder zu Wasser oxidiert werden, wodurch Elektrizität entsteht. Elektrolyseur und Brennstoffzelle arbeiten also komplementär zueinander 2. In den Experimenten zur Brennstoffzelle vollziehen wir die in Abb. 2 gezeigten Energieumwandlungen nach und untersuchen sie auf ihren Wirkungsgrad. Schwerpunktmäßig konzentrieren wir uns dabei auf den Elektrolyseur (in dem der Wasserstoff erzeugt wird) und die 2 Quelle: 2

3 Brennstoffzelle (in der aus dem erzeugten Wasserstoff Nutzenergie erzeugt wird). Wir weichen dabei etwas von der Abbildung ab: Die Elektrizität für den Elektrolyseur im Experiment kommt nicht von einer Solarzelle, sondern wird dem Elektrizitätsnetz entnommen. 2 Funktionsprinzipien der Komponenten 2.1 Der Elektrolyseur Unser Elektrolyseur besteht aus einer nur für Protonen durchlässigen Polymembran (Protonen-Austausch-Membran), die von zwei mit Platin beschichteten Elektroden umgeben ist. Zwischen der Anode und Kathode wird eine Spannung angelegt. Gleichzeitig wird der Anode Wasser zugeführt. Das Wassermolekül (2H 2 O) wird an der Anode in seine Bestandteile (O 2 + 4H + ) zersetzt. An der Anodenseite entsteht molekularer Sauerstoff (O 2 ). Die Protonen (4H + ) gelangen durch die nur für sie durchlässige Membran auf die Kathodenseite, wo sie sich anreichern. Durch die angelegte äußere Spannung gelangen die Elektronen (4e ) über einen äußeren Stromkreis zur Kathode, wo sie mit den durch die Membran diffundierten Protonen molekularen Wasserstoff (2H 2 ) bilden. Die Energie, die der Elektrolyseur zur Zersetzung von Wasser in seine Bestandteile benötigt, kann beispielsweise von einer Solarzelle geliefert werden 4. Abbildung 3: Chemische Umwandlungen im Elektrolyseur 3. Zur Erklärung der chemischen Reaktionen, siehe nebenstehenden Text. 2.2 Die Brennstoffzelle Die Brennstoffzelle besteht, wie der Elektrolyseur, ebenfalls aus einer porösen, nur für Protonen durchlässigen Membran, die wiederum von zwei mit Platin beschichteten Elektroden umgeben ist. Die Prozesse der Elektrolyse laufen hier in umgekehrter Richtung ab. Die chemische Energie, die frei wird, wenn Sauerstoff (O 2 ) und Wasserstoff (H 2 ) zu Wasser (H 2 O) reagieren, wandelt die Brennstoffzelle direkt (ohne heißen Abbildung 4: Energieumwandlung in der Brennstoffzelle. Verbrennungsprozess) in elektrische Energie um. Vereinfacht gesagt ist eine Brennstoffzelle ein rückwärts betriebener Elektrolyseur. Wie bei einer heißen Verbrennung entsteht hier Wasser. Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass die Prozesse in einer Brennstoffzelle bei Raumtemperatur ablaufen können. Die Ausgangsstoffe Wasserstoff und Sauerstoff werden an getrennte Elektroden geführt (siehe Abb. 5). In Abbildung 5 sind die chemischen Vorgänge in einer Brennstoffzelle dargestellt: Der Wasserstoff gelangt (in der Abb. links) an die Anode, der Sauerstoff (in der Abb. rechts) an die 3 Quelle: 4 Da bei der Erzeugung und dem Transport des Wasserstoffs hohe Energieverluste auftreten, macht die Wasserstofftechnologie nur dann wirklich Sinn, wenn irgendwann in der Zukunft emissionsfreie Solarenergie in großem Maßstab genutzt werden kann. 3

4 Kathode. Die Platinbeschichtung wirkt als Katalysator und sorgt dafür, dass die Aktivierungsenergie der chemischen Reaktion deutlich gesenkt wird. Dem an die Anode geführten Wasserstoff werden durch die katalytische Wirkung der Elektrode die Elektronen entrissen 5. Dabei wird das neutrale Wasserstoffatom (H) in ein Proton (H + ) und ein Elektron (e ) zerlegt. Da Wasserstoff in molekularer Form (H 2 ) vorliegt, werden an der Anode also immer zwei Atome in ihre Bestandteile zerlegt. An der Anode befinden sich somit freie, bewegliche Elektronen (e ) und Protonen (H + ). Zwischen der Anode und der Kathode befindet sich eine Membran, die nur für Protonen durchlässig ist (Proton Exchange Membrane - PEM). Durch diese gelangen die Protonen (H + ) auf die Sauerstoffseite, der Kathode 6. Hier reichern sie sich an, was dazu führt, dass sich die Kathode positiv auflädt. Zwischen den beiden Elektroden entsteht eine Potenzialdifferenz. Die vom Wasserstoff abgegebenen Elektronen (e ) werden von der Anode abgesaugt und zur Kathode, die über einen Verbraucher (Elektromotor, Lampe,... ) mit der Anode verbunden ist, weitergeleitet, so dass ein elektrischer Strom fließt. Gleichzeitig wird die O 2 -Molekülbindung aufgespalten (in der Abb. rechts), so dass zunächst zwei neutrale Sauerstoffatome ( freie Radikale ) entstehen. Jedes Sauerstoffatom nimmt nun von der Kathode zwei Elektronen auf, wodurch daraus zweifach negativ geladene Sauerstoff-Ionen (O 2 ) werden. Die Protonen (H + ) verbinden sich mit diesen negativ geladenen Sauerstoff-Ionen zu Wasser. Abbildung 5: Chemische Umwandlungen in der Brennstoffzelle 7. Solange Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt werden, bildet sich zwischen den Elektroden eine Spannung, mit der ein Stromfluss in Gang gehalten werden kann. Die Brennstoffzelle ist somit eine Elektrizitätsquelle, die geräuschlos und nur mit Wasser als Abgas arbeitet. 5 In der Chemie wird eine solche Reaktion als Oxidation bezeichnet. Allgemein bedeutet Oxidation eine Abgabe von Elektronen und Reduktion eine Aufnahme von Elektronen. Im ursprünglichen, speziellen Sinne bedeutet Oxidation das Entstehen einer Sauerstoffverbindung. 6 Als Kathode bezeichnet man die Elektrode, an der Reduktionsreaktionen d.h. Reaktionen, bei denen Elektronen aufgenommen werden stattfinden. Entscheidend ist also nicht das Vorzeichen der Spannung, die an der Elektrode anliegt, sondern die Art der chemischen Reaktion, die an ihr stattfindet! (Bei Elektrolysen ist die Kathode die negativ geladene Elektrode, bei Batterien und Brennstoffzellen die positiv geladene.) 7 Siehe z.b. Wikipedia: 4

5 3 Experimente und Aufgaben 3.1 Der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs Aufgabe: Erzeugen Sie mit dem Elektrolyseur Wasser- und Sauerstoff und berechnen Sie seinen Wirkungsgrad. Die Anleitung zum Zusammenbau und Hinweise zur Auswertung finden Sie im folgenden Text. Zusammenbau: 1. Füllen Sie beide Zylinder bis zur Null-Markierung mit destilliertem Wasser. 2. Verschließen Sie die beiden Elektrolyseurzylinder jeweils mit einer Dreierkombination aus Doppelstopfen, dünnem Glasröhrchen und Glaszylinder wie in der Abbildung rechts gezeigt. In das Loch im Doppelstopfen müssen Sie das Glasrörchen stecken und auf die andere Seite des Doppelstopfens den Glaszylinder. Beim Aufsetzen des Doppelstopfens auf den Elektrolyseurzylinder muss das Glasröhrchen in diesen hineinragen. 3. Verschließen sie die Auslassöffnungen des Elektrolyseurs mit den beiligenden Stopfen. 4. Schließen Sie die Kontakte des Elektrolyseurs an das Netzgerät an und bauen Sie das Multimeter so ein, dass es die Stromstärke misst. Messung: Stellen Sie Stromstärke auf I = 0, 5 A (nicht höher!) und stoppen Sie mit einer Stoppuhr die Zeit t, bis sich in beiden Zylindern eine deutlich sichtbare Menge Gas angesammelt hat. Notieren Sie Zeit t, Stromstärke I, Spannung U und das Volumen V des entstandenen Wasserstoffs in der Tabelle unten. Auswertung: Wenn man einen Kubikzentimeter 8 gasförmigen Wasserstoffs verbrennt, so werden etwa 10 Joule Energie frei 9 ( Heizwert von Wasserstoff: H = 10 J/cm 3 ). Etwas ungenau 10 kann man sagen: In einem Kubikzentimeter Wasserstoff sind 10 Joule Energie gespeichert. Allgemein ist der Wirkungsgrad technischer Geräte das Verhältnis von sinnvoll genutzter Energie zu zugeführter Energie, beim Elektrolyseur also die im Wasserstoff gespeicherte 8 Ein Kubikzentimeter ist ein Milliliter, d.h. ein tausendstel Liter. 9 Diese Angabe hat eine Genauigkeit von zwei gültigen Ziffern (d.h. in wissenschaftlicher Schreibweise: H = 1, J/cm 3 ). Sie gilt für eine Temperatur von 20 0 C und einem Druck von 1013 hpa. Bei anderen Werten für Temperatur oder Druck ändert sich der Zahlenwert also Vorsicht beim Vergleich mit Literaturwerten! Die Abhängigkeit des Volumens von Druck und Temperatur ist der Grund, warum Physiker/innen sich lieber auf die gelieferte Energie pro Masse (bzw. pro Stoffmenge) bezieht. Da in unserem Experiment jedoch die Volumina gemessen werden, haben wir uns für die obige Vorgehensweise entschieden. 10 Bei exakter Argumentation müsste man hier zwischen Heizwert und Brennwert unterscheiden. Fachphysiker/innen würde zudem an dieser Stelle den Begriff der Enthalpie ins Spiel bringen. Da es uns nur um eine Verdeutlichung der prinzipiellen Vorgänge in einer Brennstoffzelle bzw. einem Elektrolyseur geht, haben wir uns zu dieser vereinfachten Darstellungsweise entschlossen. 5

6 (chemische) Energie dividiert durch die zugeführte (elektrische) Energie 11. Der Wirkungsgrad η EL ergibt sich daher aus der Gleichung: η EL = E chemisch E elektrisch = H V U I t (1) Hierbei ist: H : Heizwert von Wasserstoff (10 J/cm 3 ) V : Volumen des erzeugten Wasserstoffs U : elektrische Spannung I : elektrische Stromstärke t : Zeit Messdaten Messzeit t in s Stromstärke I in A Spannung U in V Wasserstoffvolumen V in cm 3 Wirkungsgrad η EL 3.2 Die Brennstoffzelle unter Last Die von der Brennstoffzelle gelieferte Spannung ist nicht konstant, sondern bricht zusammen (d.h. sinkt), wenn die Brennstoffzelle stark belastet wird. Dieses Verhalten sollen Sie analysieren. Aufgabe: 1. Messen Sie die von der Brennstoffzelle gelieferte Spannung und die Stromstärke für verschiedene Lastwiderstände ( Verbraucher ) wie weiter unten beschrieben. Notieren Sie Ihre Messwerte in der Tabelle weiter unten. 2. Zeichnen Sie die Kennlinie der Brennstoffzelle (auf kariertem oder Millimeterpapier), d.h. stellen Sie die Messwerte graphisch dar, indem Sie die Spannung U (vertikale Achse) über der Stromstärke I (horizontale Achse) auftragen (I U-Diagramm)! 3. Das Phänomen, dass die Spannung einer Elektrizitätsquelle zusammenbricht, wenn man sie belastet, tritt auch im Alltag gelegentlich auf. Notieren Sie stichworthaft Beispiele auf den Zeilen am Ende dieses Abschnitts! Aufbau: Orientieren Sie sich an dieser Abbildung und den beiden folgenden Hinweisen! 11 Elektrische Energie und chemische Energie sind hierbei nicht etwa zwei völlig verschiedene Dinge beides ist Energie! Der Unterschied ist so ähnlich wie bei Grundwasser und Trinkwasser beides ist Wasser! 6

7 1. Schließen Sie den Elektrolyseur mit zwei Schläuchen an die Brennstoffzelle an. Achten sie dabei darauf, jeweils die beiden Wasserstoff- und die beiden Sauerstoffseiten miteinander zu verbinden! 2. Schließen Sie die Kontakte der Brennstoffzelle mit Kabeln an das Experimentiergerät an, so dass Sie die elektrische Stromstärke und Spannung messen können. Messung: 1. Prüfen Sie zunächst, ob die Brennstoffzelle Strom erzeugt, indem Sie den Drehknopf am Experimentiergerät nacheinander auf die Positionen Motor und Lampe einstellen. Das mit Motor beschriftete Rad muss sich drehen bzw. die Lampe muss leuchten, wenn dies der Fall ist. 2. Stellen Sie mit dem Drehknopf am Experimentiergerät, beginnend mit den großen Widerständen, verschiedene Lastwiderstände ein und notieren Sie Strom und Spannung in der folgenden Tabelle. ACHTUNG bei sehr kleinen Widerständen ( 10 Ω) darf die Messzeit nur wenige Sekunden betragen! Drehschalter niemals auf Kurzschluss stellen! Die hohe Stromstärken können sonst das Gerät beschädigen! Brennstoffzelle unter Last R in Ω I in A U in V Stichworte zu Aufgabe 3: 3.3 Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle (optional) Berechnung der Spannung einer idealen Brennstoffzelle Vorbetrachtung: Man hat herausgefunden, dass für alle Gase bei einer Temperatur von 20 0 C und einem Druck von 1013 hpa in einem Volumen von 24 Litern etwa Teilchen (Moleküle bzw. Atome) enthalten sind 12. Dies entspricht = 2, Teilchen pro Liter 24 bzw. 2, Teilchen pro Kubikzentimeter. Wasserstoff liegt molekular vor. Ein Wasserstoffmolekül (H 2 ) besteht aus zwei Wasserstoffatomen, von denen jedes ein Elektron liefern kann. Wasserstoff enthält bei 20 0 C und 1013 hpa also 2 2, = Elektronen pro Kubikzentimeter, wobei jedes Elektron einen Ladungsbetrag von 1, C trägt ( Elementarladung). Ergebnis: Unter den typischen Arbeitsbedingungen einer Brennstoffzelle kann Wasserstoff mit dem Volumen V die folgende Ladung abgeben: Q = k e V mit k = cm 3 und e = 1, C. 12 Eine solche Stoffmenge ( Teilchen) wird fachsprachlich als ein Mol (in Zeichen: 1 mol) bezeichnet. Bei Normalbedingungen (0 0 C, 1013 hpa) beträgt das molare Volumen eines idealen Gases 22,4 l/mol. 7

8 Rechnung: Eine ideale Brennstoffzelle 13 würde die gesamte zur Verfügung stehende chemische Energie in elektrische Energie umwandeln: U ideal = H V I t = H V Q = H V k e V = Hierbei ist: H : Heizwert von Wasserstoff (10 J/cm 3 ) k : Anzahl der Ladungsträger/cm 3 (5, Elektronen/cm 3 für Wasserstoff) e : Elementarladung (e = 1, C) Aufgaben: 1. Berechnen Sie die Spannung einer idealen Brennstoffzelle! H k e 2. Die gelieferte Spannung ist selbst bei einer idealen Brennstoffzelle relativ gering. Wie kann man trotzdem anspruchsvolle Verbraucher (z.b. den Elektromotor eines großen Brennstoffzellenautos) versorgen, die eine hohe Betriebsspannung benötigen? Rechnung zu Aufgabe 1: U ideal = (2) Antwort zu Aufgabe 2: Bestimmung des Leerlaufwirkungsgrades Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle kann abgeschätzt werden, indem die real gelieferte Leerlaufspannung U 0 mit dem in Abschnitt berechneten Idealwert U ideal verglichen wird. Aufgabe: Bestimmen Sie den (Leerlauf-)Wirkungsgrad der Brennstoffzelle, wie im Anschluss beschrieben. Messung: Um die reale Leerlaufspannung U 0 zu bestimmen, lässt man die Brennstoffzelle ca. 2 Minuten ohne Lastwiderstand (d.h. ohne Verbraucher, kein Kurzschluss!) laufen. Anschließend schließt man ein Voltmeter an die Brennstoffzelle und misst die Spannung. Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ergibt sich dann gemäß: Messwert und Rechnung: U 0 = η Leerlauf BZ = U 0 U ideal (3) η Leerlauf BZ = 13 Ideal in dem Sinne, dass die Energiewandlung mit dem Wirkungsgrad 1 erfolgt. Dies ist in der Realität freilich nicht erreichbar! 8

9 3.3.3 Vertiefung: Bestimmung des Wirkungsgrads unter Last Oben haben wir die Brennstoffzelle nur im Leerlauf, d.h. ohne Verbraucher, betrachtet. In der Realität wird die Brennstoffzelle jedoch einen Verbraucher versorgen, und nur dann macht der Begriff des Wirkungsgrads streng genommen Sinn, da nur dann Energie entzogen wird. Der Berechnung des Wirkungsgrads ist in diesem Fall ebenfalls recht einfach. Eine Brennstoffzelle ist, wie schon beschrieben, im Prinzip nichts anderes als ein rückwärts betriebener Elektrolyseur. Alle chemischen Vorgänge laufen in umgekehrter Richtung ab, d.h. Wasser wird nicht in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt, sondern Wasserstoff und Sauerstoff verbinden sich zu Wasser. Dementsprechend ist der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle im Prinzip nur der Kehrwert des Wirkungsgrads des Elektrolyseurs, da die sinnvoll genutzte Energie jetzt die elektrische Energie und die zugeführte Energie die chemische Energie ist. (Man beachte: Auch dieser Wirkungsgrad ist kleiner als Eins, da die Werte für Stromstärke I und Spannung U nicht identisch mit denen des Elektrolyseurs sind.) Aufgaben: η BZ = E elektrisch = U I t E chemisch H V 1. Überlegen Sie sich, wie man das Volumen des oxidierten Wasserstoffs messen kann. Wenn Sie eine Lösung gefunden haben, bestimmen Sie den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle für einen mittelgroßen Lastwiderstand ( Verbraucher )! (Falls die Zeit reicht, wiederholen Sie die Messung für verschiedene Lastwiderstände! Achtung: Von außen darf keine Spannung an die Brennstoffzelle angelegt werden!) 2. Diskutieren Sie, warum der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle vom Widerstand des Verbrauchers abhängt! Tipp: Überlegen sie sich dazu die beiden Fälle, dass der Widerstand gleich Null ist (Kurzschluss) bzw. dass er unendlich groß ist (keine Verbindung zwischen den Kontakten), also: R = 0 bzw. R. Messwerte und Rechnung zu Aufgabe 1: (4) U = I = t = V = η BZ = Antwort zu Aufgabe 2: 9

10 3.4 Betrieb des Wasserstoffautos Aufgabe: Nehmen Sie, wie unten beschrieben, das Elektroauto in Betrieb. Hinweis: Es ist sinnvoll, das Auto auf Kurvenfahrt einzustellen, da es sonst mit irgendwelchen Wänden oder Gegenständen kollidieren würde. Vorgehen: Die dem Wasserstoffauto beiliegende Brennstoffzelle kann auch als Elektrolyseur betrieben werden. Hierzu stellen Sie ihn auf den Kopf, füllen beide Zylinder randvoll mit destilliertem Wasser und verschließen sie ihn mit den beiligenden Gummistopfen. Nachdem Sie ihn wieder richtig herum gedreht haben, schließen Sie ihn zusammen mit dem Ampèremeter ans Netzgerät an und stellen die Spannung so, dass die Stromstärke maximal 0,5 A beträgt. Nun füllen sich die Zylinder langsam mit Gas (H 2 und O 2 ). Hat sich in beiden Zylindern genügend Gas gebildet, so trennen Sie ihn vom Netzgerät, setzen ihn in das Auto ein und schließen die Kontakte an. Er arbeitet nun als Brennstoffzelle und das Auto fährt los. 4 Quellen Industrieinitiative zur Förderung von Brennstoffzellen in vielfältigen Einsatzbereichen: Umfangreiche Informationen vom Elektrizitätsversorgungsunternehmen Vattenfall zur Brennstoffzellentechnologie erhält man unter: Informationen über den Aufbau von Brennstoffzellen und weiterführende Verweise gibt es bei Wikipedia: Hier eine Bezugsquelle für Brennstoffzellen-Experimentierkästen und Modellautos: Mehrere Abbildungen und Hintergrundinformationen wurden der folgenden Handreichung der Universität Augsburg entnommen (inzwischen nicht mehr zugänglich): Diese Seite bietet allgemeine Informationen zum Themenkreis Energie: Internetadressen überprüft am