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Wasserstoff-Brennstoffzelle

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Chemie

Gerade in der E-Mobilität ist die Wasserstoff-Brennstoffzelle eine spannende Alternative. Beim Einsatz im Fahrzeugbetrieb hält eine Brennstoffzelle um die 500 - 700km Reichweite. Sie ist jedoch sehr teuer und daher ist beispielsweise ein Auto, dass mit einer Batterie angetrieben wird effizienter. Deshalb wird weiter daran geforscht.

Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle. Sie erzeugt durch eine chemische Reaktion Strom. Dabei wird die chemische Energie des Wasserstoffs genutzt und in die elektrische Energie umgewandelt.

Funktionsweise einer Wasserstoff-Brennstoffzelle

Das Prinzip der Brennstoffzelle stammt von Sir William Grove. Er baute 1839 eine einfache galvanische Zelle. Moderne Brennstoffzellen funktionieren noch heute nach dem Grundprinzip, dass Grove entdeckte.

Wasserstoff und Sauerstoff werden elektrochemisch an getrennten Elektroden kontrolliert zur Reaktion gebracht. Hierbei wird die chemische Energie des Wasserstoffs und des Sauerstoffs in elektrische Energie umgewandelt. Die Gesamtreaktion der galvanischen Zelle entspricht der Knallgasreaktion.

Brennstoffzellen sind galvanische Zellen, in denen Wasserstoff und Sauerstoff kontrolliert zur Reaktion gebracht werden. Es wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt.

Aufbau einer Wasserstoff-Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle besteht aus Elektroden, der Anode und der Katode. Dazwischen befindet sich eine Membran oder ein Elektrolyt, der die Elektroden voneinander trennt. Die Anode ist vom Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, umgeben und oxidiert auf dieser Seite. Die Kathode ist vom Oxidationsmittel, wie zum Beispiel Sauerstoff, umgeben und wird auf der Seite reduziert.

Wasserstoff-Brennstofzelle Abbildung Aufbau Wasserstoff-Brennstoffzelle Stromerzeugung StudySmarterAbbildung 1: Aufbau Wasserstoff-Brennstoffzelle

Reaktion der Wasserstoff-Brennstoffzelle

Auf der Seite der Anode findet eine Oxidation (Elektronenabgabe) statt. Wasserstoff, der hier als Brennstoff eingesetzt wird, oxidiert an der Anode und wird in Ionen umgewandelt. Die Ionen wandern durch die Membran, während die Elektronen über den Stromfluss zur Katode geführt werden.

Auf der Seite der Kathode findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Sauerstoff, der hier als Oxidationsmittel eingesetzt wird, reduziert an der Katode und wird zu Anionen umgewandelt. Sie reagieren unmittelbar mit den Wasserstoffionen und werden zu Wasser.

In der unten stehenden Tabelle findest du die ablaufenden Gleichungen. Die Gesamtreaktion bezeichnet man als Redoxreaktion (Zellreaktion).

Gleichung
AnodePhysikalische Chemie Wasserstoff-Brennstoffzelle Oxidationsgleichung StudySmarter
KathodePhysikalische Chemie Wasserstoff-Brennstoffzelle Reduktionsgleichung StudySmarter
GesamtreaktionPhysikalische Chemie Wasserstoff-Brennstoffzelle Gesamtreaktionsgleichung StudySmarter

Wichtig beim Aufbau ist, den Wasserstoff vom Sauerstoff zu trennen. Sonst erhältst du ein Knallgasgemisch.

Einsatzbereich von Wasserstoff-Brennstoffzellen

Für Wasserstoff-Brennstoffzellen gibt es einen großen Bereich an Anwendungsmöglichkeiten. Sie können als Energieversorgung für Einfamilienhäuser bzw. Mehrfamilienhäuser und Unternehmen eingesetzt werden. In den Wasserstoff-Brennstoffzellen befinden sich keine beweglichen Teile. Sie sind somit besonders zuverlässig und es ist daher unwahrscheinlich, dass sie ausfallen.

Brennstoffzellen können als Antrieb für Fahrzeuge, wie Autos, Busse und Züge genutzt werden. Gerade das Thema mit der Reichweite ist hier ein Vorteil der Wasserstoff-Brennstoffzelle. Mit ihr kann man deutlich längere Strecken zurücklegen. Die Reichweite hängt hier nur von der Größe des Tanks ab. Auch fällt langes warten beim Aufladen weg.

Das betanken geht deutlich schneller - vergleichsweise wie an einer normalen Tankstelle. In Nutzfahrzeugen wie Schiffen oder Bussen werden Wasserstoff-Brennstoffzellen bereits eingesetzt. Auch in Zügen gab es einen Testbetrieb mit Brennstoffzellen.

Du findest in der Tabelle die verschiedenen Typen einer Brennstoffzelle und deren Anwendungsbereiche.

BrennstoffzellentypBrennstoffElektrolytWirkungsgradLeistungAnwendung
AFC - Alkalische BrennstoffzelleKaliumhydroxid 40%100 kWSchiffsantriebRaumfahrt
PEMFC - Polymerelektrolyt-BrennstoffzellePolymermembran35%250 kWKFZ AntriebHausenergie
DMFC - Direktmethanol-BrennstoffzellePolymermembran40%100 kWKFZ Antrieb
MCFCSchmelzcarbonat-BrennstoffzelleAlkalicarbonatschmelze48%280 kWBrennstoffzellen-Heizkraftwerke
SOFC - Festoxid-BrennstoffzelleIonenleitende Metalloxide47%100 kWBrennstoffzellen- Kraftwerke

Vorteile und Nachteile einer Brennstoffzelle

Generell lässt sich über Brennstoffzellen sagen, dass sie einen hohen Wirkungsgrad haben. Sie sind sehr Schadstoffarm und nahezu wartungsfrei. Der Betrieb ist sehr leise und es gibt eine Brennstoff-Flexibilität. Gerade im Antriebsbereich für Fahrzeuge ist die höhere Reichweite ein großer Vorteil.

Die Beschaffung der Rohstoffe für die Akkus wie beispielsweise ein Lithium-Ionen-Akku sind recht umstritten. Da ist die Wasserstoff-Brennstoffzelle deutlich umweltfreundlicher. Jedoch sind die technischen Anforderungen sehr hoch. Dadurch entstehen hohe Kosten. Die Infrastruktur ist außerdem auch kaum vorhanden.

So gibt es kaum entsprechende Tankstellen für Wasserstoff-Brennstoffzellen Fahrzeuge. Betrachtet man die Energiebilanz, fällt sie insgesamt schlechter aus.

Wasserstoff-Brennstoffzelle - Das Wichtigste

  • Brennstoffzellen sind galvanische Zellen.
  • In der Wasserstoff-Brennstoffzelle wird Wasserstoff und Sauerstoff kontrolliert zur Reaktion gebracht.
  • Durch das Umwandeln von chemischer Energie in elektrische Energie wird Strom erzeugt.
  • Die Wasserstoff-Brennstoffzellen sind vielseitig einsetzbar (Autos, Busse, Züge, Kraftwerke, ...).
  • Vorteile sind beispielsweise der leise Betrieb oder die Alternative zur Batterie im Fahrzeugantrieb.
  • Nachteile sind beispielsweise die hohen Kosten und die mangelnde Infrastruktur an Tankstellen.

Wasserstoff-Brennstoffzelle

Wasserstoff und Sauerstoff werden in Brennstoffzellen kontrolliert zur Reaktion gebracht. In einer Wasserstoff-Brennstoffzelle wird Strom erzeugt indem chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. 

Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle erzeugt in eine Spannung von 0,5V - 1,0V. Es kommt jedoch auf den Zustand der Zelle an, den Brennstoff und die Temperatur.

Ein Kilogramm Wasserstoff kostet an einer Tankstelle 9,50€.

Das hängt davon ab, wie schnell sie sich entlädt. Beim Einsatz im Fahrzeugantrieb sind es beispielsweise 500km - 700km Reichweite. 

Finales Wasserstoff-Brennstoffzelle Quiz

Frage

Was ist eine Wasserstoff-Brennstoffzelle?

Antwort anzeigen

Antwort

Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle. 
Sie erzeugt durch eine chemische Reaktion Strom. 

Frage anzeigen

Frage

Wie erzeugt eine Wasserstoff-Brennstoffzelle Strom?

Antwort anzeigen

Antwort

Wasserstoff und Sauerstoff werden kontrolliert zur Reaktion gebracht. Chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt. 

Frage anzeigen

Frage

Welcher Brennstoff wird bei einer Wasserstoff-Brennstoffzelle verwendet?

Antwort anzeigen

Antwort

Wasserstoff

Frage anzeigen

Frage

Welches Oxidationsmittel wird bei einer Wasserstoff-Brennstoffzelle verwendet?

Antwort anzeigen

Antwort

Sauerstoff. 

Frage anzeigen

Frage

Aus welchen Bestandteilen besteht eine Wasserstoff-Brennstoffzelle?

Antwort anzeigen

Antwort

Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle besteht aus:

  • Anode
  • Kathode
  • Membran
  • Elektrolyt
  • Brennstoff
  • Oxidationsmittel
Frage anzeigen

Frage

Nenne die Gleichung der Oxidation. 

Antwort anzeigen

Antwort


Frage anzeigen

Frage

Nenne die Gleichung der Reduktion. 

Antwort anzeigen

Antwort


Frage anzeigen

Frage

Welche Gleichung der Gesamtreaktion ergibt sich?

Antwort anzeigen

Antwort


Frage anzeigen

Frage

Wo werden Wasserstoff-Brennstoffzellen eingesetzt?

Antwort anzeigen

Antwort

Fahrzeugantrieb

Frage anzeigen

Frage

Welche Vorteile haben Wasserstoff-Brennstoffzellen?

Antwort anzeigen

Antwort

Hohen Wirkungsgrad

Frage anzeigen

Frage

Welche Nachteile bringen Wasserstoff-Brennstoffzellen mit sich?

Antwort anzeigen

Antwort

Technische Anforderungen sind hoch

Frage anzeigen

Frage

Wieso muss man Wasserstoff vom Sauerstoff trennen?

Antwort anzeigen

Antwort

Man erhält sonst ein gefährliches Knallgasgemisch.

Frage anzeigen

Frage

Ist eine Wasserstoff-Brennstoffzelle eine galvanische Zelle?

Antwort anzeigen

Antwort

Ja

Frage anzeigen
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