Tertiärzelle

Du sitzt beim Abendessen mit deiner Familie oder in einer entspannten Runde mit deinen Freunden und mal wieder wird über das Thema Umweltschutz diskutiert. Natürlich ist es wichtig und richtig darüber zu sprechen und Meinungen auszutauschen, aber an einigen Stellen fehlt dann doch einfach das Fachwissen, um mit den vielen Studien und Artikeln zu dem Thema umgehen zu können. 

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Inhaltsangabe

    Viele dieser Studien beziehen sich auf die Vor- und Nachteile zwischen Autos mit Verbrennungsmotoren, Elektromotoren und Wasserstoffantrieb. Von Verbrennern und E-Autos hört man mittlerweile ja so Einiges und weiß eventuell auch, wie sie grob funktionieren.

    Aber was ist mit den Wasserstoffautos?

    Die gesamte Funktionsweise zu erklären würde hier über das Ziel hinaus schießen, wäre weitaus komplexer und würde euch bei der Diskussion auch nicht wirklich weiter helfen. Aber lasst uns doch mal einen genaueren Blick auf die grundlegendste Einheit eines Wasserstoffantriebes werfen: Das Tertiärelement!

    Tertiärzelle: Ein erster Einstieg

    Neben den Primärelementen (Batterien) und Sekundärelementen (Akkumulatoren / Akkus) der galvanischen Zellen stellt das Tertiärelement das langlebigste dar. Genau genommen sind sie jedoch keine Batterien und auch keine Akkus mehr, da sie kein in sich geschlossenes System sind. Der dauerhafte Zufluss des Brennstoffs ist dabei eine der wichtigsten Eigenschaften von Tertiärelementen.

    Tertiärelemente ermöglichen die kontrollierte Verbrennung von dauerhaft zugeführten Brennstoffen an geeigneten Katalysatoren, die zur Umwandlung von chemischer in elektrische Energie führt.

    Um diese Besonderheiten aber wirklich verstehen zu können schau dir nochmal intensiv den Rückblick zur galvanischen Zelle an.

    Tertiärzelle: Rückblick auf die Galvanische Zelle

    Da die Tertiärelemente zu den galvanischen Zellen (oder auch galvanischen Elementen) gehören, ist es sinnvoll noch einmal zu wiederholen, worum es sich dabei überhaupt handelt. Galvanische Zellen wandeln in einer Redoxreaktion chemische in elektrische Energie um, die anschließend genutzt werden kann.

    Anwendungen für galvanische Zellen findest du in Batterien oder Akkus, die immer nach diesem Prinzip funktionieren. Möglich wird das grundlegend durch die Übergänge von Elektronen, allerdings nicht durch einen direkten Kontakt der reagierenden Stoffe, sondern über einen separaten Weg.

    Hierzu wird die Redoxreaktion in zwei Halbzellen unterteilt, was zwei voneinander getrennten Gefäßen entspricht. Die Reaktion wird dadurch ebenfalls unterteilt und in einer der beiden Halbzellen findet die Oxidation in der anderen die Reduktion statt.

    Falls du bei dem Wort "Redoxreaktion" gerade nochmal etwas die Stirn gerunzelt hast, hier nochmal eine kleine Wiederholung:

    Redoxreaktionen bestehen immer aus zwei Teilreaktionen: Der Oxidation und der Reduktion. Das bedeutet, dass einem der Stoffe Elektronen entzogen werden und die gleiche Anzahl einem anderen Stoff der Reaktion hinzugefügt werden. Hier mal ein Beispiel:

    Na + Cl Na+ + Cl- (NaCl)

    Das Natrium hat in dieser Reaktion ein Elektron abgegeben und ist damit zu unserem Kation geworden. In der Reaktion wurde es also oxidiert und beschreibt die erste Teilreaktion.

    Na Na+ + e-

    Das Chlorid hingegen hat das frei gewordene Elektron des Natriums aufgenommen und ist damit zu einem Anion geworden. Es ist also reduziert worden und zeigt die zweite Teilreaktion.

    Cl + e- Cl-

    Möchtest du die Redoxreaktion vollständig nachvollziehen, schau doch mal bei den Oxidationszahlen vorbei. Sie machen die Übergänge der Elektronen um einiges verständlicher.

    Wie du in Abbildung 1 erkennen kannst wird in jede der Halbzellen eine Elektrode aus einem spezifischen Metall sowie eine Lösung, welche das gleiche Metall enthält, platziert. In diesem Beispiel sind das Kupfer und Zink Elektroden, sowie CuSO4- und ZnSO4-Lösungen. In welcher der beiden Halbzellen nun die Oxidation bzw. die Reduktion statt findet, hängt von dem Metall ab, welches in Form der Elektrode in der Halbzelle platziert wurde.

    In der linken Halbzelle befindet sich eine Elektrode aus Zink. Zink hat ein niedrigeres Redoxpotential als Kupfer, was dazu führt, dass mehr (positive) Ionen an der Zink Elektrode in die Lösung übergehen als bei der Kupfer Elektrode. Hier findet also die Oxidation der Redoxreaktion statt. Somit wird diese Elektrode stärker negativ geladen und stellt die Anode dar, wohingegen die Elektrode aus Kupfer weniger negativ geladen ist und zur Kathode wird.

    ReaktionsortReaktionsartReaktionsgleichung
    AnodeOxidation Zn(s) Zn2+(aq) + 2 e-
    KathodeReduktionCu2+(aq) + 2 e- Cu(s)
    Gesamt RedoxreaktionZn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s)

    Du weißt nun, dass an der Anode die Oxidation und an der Kathode die Reduktion stattfindet. Der dabei entstandene Ladungsunterschied zwischen den beiden Elektroden führt zu einem Elektronenfluss von der Anode zur Kathode. Die Elektronen laufen dabei über einen Draht, welcher zwischen den Elektroden angebracht und mit einem Voltmeter zur Messung versehen wurde.

    Damit nun aber wirklich ein Elektronenfluss entsteht, muss der Stromkreis vollständig geschlossen sein. Momentan würden die Elektronen nur von einer Halbzelle in die andere fließen und ein Ungleichgewicht würde entstehen, wodurch die galvanische Zelle nicht mehr funktionstüchtig wäre.

    Wenn du dir den Fluss in und zwischen den Halbzellen nochmal genau vorstellst, passiert also folgendes:

    Die Lösung der Anode würde aufgrund der abgetrennten Zn2+-Ionen immer positiver werden und die Lösung der Kathode immer negativer, da die Cu2+-Ionen sich an die Kathode lagern und zu Cu-Atomen umgewandelt werden. Der Elektronenfluss würde also irgendwann zum erliegen kommen.

    Um dem entgegen zu wirken, müssen die entstehenden Anionen (So42-) und Kationen (Zn2+) in den Stromkreis der galvanischen Zelle eingebunden werden. Dazu wird eine sogenannte Salzbrücke angelegt. Sie reicht von der Lösung der ersten Halbzelle bis in die Lösung der zweiten Halbzelle und besteht aus einem Gel/einer Flüssigkeit, welches den Ausgleich von Anionen und Kationen ermöglicht (Elektrolyt) (siehe Abbildung 2).

    In einer galvanischen Zelle kann die Salzbrücke auf zwei verschiedene Arten ihre Aufgabe erfüllen. Entweder ermöglicht sie es den Ionen selber zwischen den Halbzellen zu wandern, oder aber sie besteht aus einem Salz, welches selber Anionen und Kationen für den Ausgleich zur Verfügung stellt. Ein Vorteil der Variante, in der sie selber die Ionen zur Verfügung stellt, besteht darin, dass man Ionen auswählen kann, die mit den anderen Stoffen der Halbzellen nicht reagieren. So erschafft man zwar einen Ausgleich, hat aber keine unerwünschten Reaktionen.

    Als generelle Alternative zu beiden Varianten kann auch eine semipermeable (halbdurchlässige) Membran angebracht werden. Wobei die beiden Halbzellen zwar in einem Gefäß vorliegen, aber durch die Membran getrennt werden.

    Der Ionenaustausch kann also über folgende Varianten stattfinden:

    • Salzbrücke
      • Ionen der Lösungen werden transportiert
      • Ionen der Salzbrücke werden zum Ausgleich genutzt
    • Aufbau mit einer semipermeablen Membran

    Zum Ende dieses Rückblicks auf die galvanische Zelle vergegenwärtige dir noch einmal, dass die fortlaufende Ablagerung der Ionen an der Anode und die daraus folgende Anlagerung von Ionen an die Kathode zu einem Verlust der Masse an der Anode sowie einer Zunahme der Masse an der Kathode führt. Diese Form der galvanischen Zelle ist also nicht unbegrenzt nutzbar und wird irgendwann nicht mehr funktionieren.

    Besonderheiten der Tertiärzelle

    Der große Unterschied zu den anderen galvanischen Elementen besteht darin, dass einer Tertiärzelle durchgehend der Brennstoff über die Elektroden nachgeliefert wird und sie so theoretisch unbegrenzt laufen kann. Die Reaktion, welche in einem Wasserstoff-Tertiärelement statt findet, ist simpel und sieht wie folgt aus:

    Reaktionsort ReaktionsartReaktionsgleichung
    AnodeOxidation2 H2(g) 4 H+ + 4 e-
    KathodeReduktionO2(g) + 4 H+ + 4 e- 2 H2O(l)
    GesamtRedoxreaktion2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(l)

    Aber auch im Tertiärelement findet man wie bei den galvanischen Zellen zwei Elektroden vor, welche in zwei separaten Halbzellen untergebracht sind. Allerdings werden in herkömmlichen Tertiärelementen keine Salzbrücken als Elektrolyte genutzt, sondern semipermeable Membranen, welche die Halbzellen voneinander abgrenzen und nur für eine Ionenart durchlässig sind. Der weitere Aufbau der Tertiärzelle beziehungsweise der Halbzellen auf beiden Seiten der Membran ähnelt einem Sandwich mit mehreren Lagen. (Abbildung 3)

    Die Membran wird von zwei Seiten durch die Anode und die Kathode umschlossen. Wobei die Kathode mit Luft und die Anode mit dem Brennstoff versorgt wird. Die beiden Elektroden werden wiederum durch einen Katalysator abgedeckt und hinter dem Katalysator kommt abschließend die Gasdiffusionslage (GDL).

    Auch wenn der Aufbau erst einmal sehr abgewandelt aussieht, kann man doch die Grundzüge wie Elektrolyt, Halbzellen und Elektroden der galvanischen Zelle wieder erkennen.

    Wozu nun aber die neuen Schichten die das Tertiärelement im besonderen charakterisieren?

    Die Membran

    Elektrolyte kennst du bereits aus den galvanischen Elementen. Und auch hier ist es durch die Eigenschaften der semipermeablen Membran möglich, den benötigten Ladungsausgleich zu schaffen. Diese hat die Fähigkeit nur bestimmte Moleküle passieren zu lassen und ungewollte Moleküle zurück zu halten. In den meisten Fällen werden Kationen von der Anode zur Kathode durch gelassen, welche anschließend mit dem Sauerstoff der Kathode reagieren.

    Katalysatoren

    Die dünnen aus einer Kohlenstoffschicht bestehenden Katalysatoren sind mit Platin oder Palladium besetzt. Sie unterstützen die Reaktanden dabei, die benötigten Stoffe und Teilchen zur Verfügung zu stellen. Bei der Anode wird so sicher gestellt, dass die benötigten Protonen vom Wasserstoff abgetrennt werden und an der Kathode der Sauerstoff reduziert wird.

    Katalysatoren sind in der Chemie Stoffe, die die Reaktionsgeschwindigkeit einer Reaktion erhöhen, in dem sie die Aktivierungsenergie absenken. Zur Beschreibung von Teilen einer Apparatur, die diese Stoffe tragen oder hinzugeben, wird aber auch der Name "Katalysator" verwendet.

    Gasdiffusionslage (GDL)

    Die GDL´s sind unerlässlich für die Zufuhr der Reaktanden für die Katalysatoren. Außerdem sorgen sie auch dafür, dass die Produkte der Reaktion wieder abtransportiert werden. Sie bestehen aus Kohlefasern, die mit Poren übersäht sind. Durch diese Poren gelangen Edukte und Produkte zu ihrem vorgesehenen Platz.

    Die Kohlefasern sind meist mit Polytetrafluorethylen (PTFE) beschichtet. Durch seine hydrophoben Eigenschaften, sorgt das PTFE dafür, dass die Poren offen bleiben und das Wasser kontinuierlich abtransportiert wird. Jedoch wird immer etwas Wasser in der Zelle zurückgehalten, damit die Leitfähigkeit innerhalb erhalten wird. Das PTFE hat also eine essentielle Aufgabe bei der Balance des Wassertransports.

    Bipolarplatten

    Um die Tertiärzelle abzugrenzen wird sie von außen noch durch zwei Bipolarplatten umgeben. Die Platten bestehen aus massiven und elektrisch leitenden Materialien wie beispielsweise Metallen, um der Zelle Stabilität und gleichzeitig die Möglichkeit zur Kopplung mit anderen Zellen zu ermöglichen. Diese Kopplung ist wichtig, da eine einzelne Zelle relativ wenig Spannung bietet, weshalb mehrere in Reihe geschalten werden und so einen Stack (Stapel) bilden.

    Anwendung der Tertiärzelle

    Nachdem du dir die Grundlagen zum Aufbau und der Funktion angeschaut hast, kommt jetzt noch etwas Input zur Einordnung des Tertiärelements und wofür du das alles gelernt hast.

    Die Anwendungsmöglichkeiten des Tertiärelements sind unglaublich vielversprechend. Solange man die Möglichkeit hat der Zelle wieder neuen Brennstoff zuzuführen, kann sie jegliche Anwendungsbereiche abdecken. Dazu zählen:

    • Stationäre Anwendungen
      • Wie Generatoren in Gebäude
    • Mobile Anwendungen
      • Im Straßenverkehr
      • In der Luft- und Raumfahrt
      • Im Schienenverkehr.

    Hinzu kommt, dass bereits jetzt an unterschiedlichsten Typen der Tertiärzelle geforscht wird, die sich in Brennstoff, Aufbau, Leistung/Wirkungsgrad und Haltbarkeit unterscheiden. Schauen wir beispielsweise auf den Brennstoff der Tertiärelemente, so können wir bereits jetzt zwischen Wasserstoff, Methan und Methanol wählen, die ihre Vor- und Nachteile mitbringen. So werden die Aspekte der Brennstoffzellen, immer genauer untersucht und weiter verbessert.

    Der Wirkungsgrad der Tertiärelemente ist beispielsweise abhängig von der Temperatur, bei der sie laufen. Niedrigtemperatursysteme arbeiten bei ca. 80 - 150°C und können einen Wirkungsgrad von ungefähr 50% erreichen. Hochtemperatursysteme hingegen sind zwar meist auch teurer, jedoch können sie durch ihre extrem hohen Temperaturen bereits jetzt einen Wirkungsgrad von bis zu 60% vorweisen.

    Tertiärelement im Vergleich zum Verbrenner

    Ein häufiges Thema in der Diskussion um die Energie- und Verkehrswende ist der Ersatz des Verbrennungsmotors durch umweltfreundliche Alternativen.

    Der Verbrennungsmotor ist eine Maschine, die mittels eines entzündbaren Stoffgemisches eine Reaktion hervorruft, mit der ein Kolben in Bewegung gesetzt wird. Erreicht wird das in einem zyklischen Ablauf der Maschine, in der chemische Energie in mechanische Arbeit umgesetzt wird. (siehe Abbildung 4)

    1. Ansaugen des Kraftstoffs

    2. Verdichten des Kraftstoffes

    3. Entzündung und Arbeit des Kraftstoffes

    4. Ausstoß des Kraftstoffes

    Eine dieser Alternativen ist das gerade besprochene Tertiärelement oder im allgemeinen Sprachgebrauch die Brennstoffzelle. Das bekannteste Beispiel ist wohl das "Wasserstoffauto", was momentan noch keine endgültige Alternative darstellt, aber vielversprechend ist. Dazu hier mal ein kleiner Vergleich zwischen Verbrennungsmotor und Brennstoffzelle. (Bedenke aber, dass in einer richtigen Diskussion noch viel Aspekte betrachtet werden müssen)

    EigenschaftVerbrennungsmotorBrennstoffzelle
    Wirkungsgrad25 - 35%30 - 60%
    LautstärkeLaut bis sehr lautSehr leise
    Verfügbarkeit des BrennstoffesHoch aber begrenztHoch und unbegrenzt
    CO2-AusstoßHochFast zu vernachlässigen

    Aber Achtung!

    Auch wenn mit der Brennstoffzelle in Form eines Wasserstoffautos eine interessante und vielversprechende Alternative aufgezeigt wurde, bedenke, dass wir immer noch vor großen Herausforderungen stehen. Zwar wäre der Wasserstoff als flüssiger Brennstoff leicht in das aktuelle Tankstellennetz einzupflegen, aber allein der Transport und die Lagerung des Wasserstoffs sind noch so ineffizient, dass der Wirkungsgrad am Ende wieder fast auf dem Niveau des Verbrennungsmotors liegt. Zudem muss die Herstellung des Brennstoffs wie auch des Autos selbst in die Betrachtung mit eingebracht werden. Außerdem wird zwar kein CO2 emittiert aber es gibt bereits Hinweise darauf, dass der entstehende Wasserdampf ebenfalls eine Auswirkung auf den Treibhausgaseffekt haben kann.

    Wenn du mal einen genaueren Blick auf solche Studien werfen möchtest, schau doch mal beim BMUV vorbei. Dort wurde in einigen Artikeln differenziert aufgezeigt, wo Stärken und Schwächen von alternativen Kraftfahrzeugen liegen.

    Oder wenn dich eher wissenschaftliche Aspekte interessieren, gibt es eine sehr interessante Pressemitteilung des Forschungszentrum Jülich, die Forschungen zu verbessersten Brennstoffzellen nach gehen.

    Mit dieser Grundlage zum Thema der Tertiärzelle und ihrer praktischen Anwendung kannst du dich jetzt auf weitere interessante Themen stürzen, wie Wasserstoffflugzeuge, Wasserstoffstrategien oder Wasserstoff als Energieträger.

    Tertiärzelle - Das Wichtigste

    • Tertiärzellen unterscheiden sich von anderen galvanischen Zellen vor allem durch den dauerhaften
    • Bestimmung der Anode und der Kathode in einer galvanischen Zelle ist über das Redoxpotential der Metalle der Elektroden möglich
    • In galvanischen Elementen findet die Oxidation an der Anode und die Reduktion an der Kathode statt
    • Elektrolyte sind notwendig um einen Ionenausgleich zu schaffen
    • Die Membran, der Katalysator, die Gasdiffusionslage und die Bipolarplatten stellen die charakteristischen Bauteile eines Tertiärelements dar.
    • Anwendungsgebiete für Tertiärelemente ergeben sich sowohl für stationäre als auch für mobile Anwendungen.
    Häufig gestellte Fragen zum Thema Tertiärzelle

    Was ist eine galvanische Zelle einfach erklärt? 

    Eine galvanische Zelle beschreibt eine Apparatur, die mittels einer Redoxreaktion chemische in elektrische Energie umwandelt. Man unterscheidet dabei Primär-, Sekundär und Tertiärelement. 

    Wie ist eine galvanische Zelle aufgebaut? 

    Zwei Halbzellen werden mittels eines Elektrolyten von einander getrennt und jeweils eine Elektrode, wie auch eine Lösung werden in jede dieser Halbzellen platziert. Eine Verbindung beider Elektroden führt dann in Kombination mit dem Elektrolyt zur gewünschten Reaktion.

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