Heterogene Katalyse in der Brennstoffzelle
Am Hauptbahnhof in Köln fährt ein Wasserstoff-Bus an die Tankstelle. Aus dem Auspuff kommt nur Wasserdampf, und der Motor ist ein Elektromotor. Wie wird aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrischer Strom? Und warum steckt in jeder Brennstoffzelle teures Platin, das dabei nicht aufgebraucht wird? Am Ende der Seite beantwortest du beides.
Aufbau und Reaktionen der Brennstoffzelle
Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, der die Reaktionspartner ständig von außen zugeführt werden. Eine Batterie enthält ihre Stoffe dagegen von Anfang an und ist irgendwann leer. Eine Brennstoffzelle liefert Strom, solange Wasserstoff und Sauerstoff nachströmen.
Die Zelle besteht aus zwei porösen Elektroden, meist mit Platin beschichtet, und einem Elektrolyten dazwischen. Der Elektrolyt ist hier eine Protonenaustauschmembran (PEM) oder eine saure Lösung. Er leitet Ionen (hier $\mathrm{H^+}$ bzw. $\mathrm{H_3O^+}$), aber keine Elektronen. Die Elektronen müssen deshalb über den äußeren Stromkreis durch den Verbraucher fließen.
Die Teilgleichungen in saurer Lösung:
| Elektrode | Vorgang | Gleichung |
|---|---|---|
| Anode (Minuspol) | Oxidation | $\mathrm{H_2 \rightarrow 2\,H^+ + 2\,e^-}$ |
| Kathode (Pluspol) | Reduktion | $\mathrm{O_2 + 4\,H^+ + 4\,e^- \rightarrow 2\,H_2O}$ |
Die erste Gleichung wird mit 2 multipliziert, damit die Elektronen sich ausgleichen. Die Gesamtgleichung lautet:
$$\mathrm{2\,H_2 + O_2 \rightarrow 2\,H_2O}$$Die Elektrolyt-Aufgabe: Er schließt den Stromkreis im Innern der Zelle durch Ionenleitung und trennt die Gase voneinander, damit sie nicht direkt reagieren.
Eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle enthält Platin-Elektroden. a) Formulieren Sie die Elektrodenreaktionen in saurer Lösung. b) Geben Sie die Gesamtgleichung an.
Eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle enthält Platin-Elektroden.
- a) Formulieren Sie die Elektrodenreaktionen in saurer Lösung.
- b) Geben Sie die Gesamtgleichung an.
Nennen Sie a) eine Aufgabe des Elektrolyten in der Brennstoffzelle und b) den Unterschied zwischen Brennstoffzelle und Batterie.
Nennen Sie
- a) eine Aufgabe des Elektrolyten in der Brennstoffzelle und
- b) den Unterschied zwischen Brennstoffzelle und Batterie.
Platin als heterogener Katalysator
Wasserstoff und Sauerstoff mischen sich bei Zimmertemperatur, ohne zu reagieren: Die Aktivierungsenergie ist zu hoch. Platin ändert das.
Warum bleibt der Katalysator erhalten? Er nimmt an einzelnen Teilschritten teil, liegt aber am Ende des Zyklus wieder unverändert vor. Er taucht deshalb nicht in der Gesamtgleichung auf.
Die Oxidation von Wasserstoff an Platin läuft in vier Teilschritten:
-
Adsorption: $\mathrm{H_2}$-Moleküle lagern sich an die Platinoberfläche an.
-
Spaltung: Die $\mathrm{H-H}$-Bindung wird geschwächt und gespalten, es entstehen an Platin gebundene H-Atome.
-
Elektronenabgabe: Jedes H-Atom gibt ein Elektron an das Metall ab und wird zum $\mathrm{H^+}$.
-
Desorption: Die $\mathrm{H^+}$-Ionen wandern in den Elektrolyten, die Platinoberfläche ist wieder frei.
Platin dient als heterogener Katalysator. a) Definieren Sie heterogene Katalyse. b) Erklären Sie, warum der Katalysator nicht verbraucht wird.
Platin dient als heterogener Katalysator.
- a) Definieren Sie heterogene Katalyse.
- b) Erklären Sie, warum der Katalysator nicht verbraucht wird.
Die Oxidation von Wasserstoff an einer Platinoberfläche verläuft in mehreren Teilschritten. a) Benennen und beschreiben Sie diese Teilschritte in der richtigen…
Die Oxidation von Wasserstoff an einer Platinoberfläche verläuft in mehreren Teilschritten.
- a) Benennen und beschreiben Sie diese Teilschritte in der richtigen Reihenfolge.
- b) Erklären Sie, wie der Katalysator die Aktivierungsenergie senkt.
Katalysatorvergiftung
Der Katalysator arbeitet nur an seiner Oberfläche. Stoffe, die dort stärker haften als $\mathrm{H_2}$, besetzen die aktiven Zentren. Kohlenstoffmonooxid $\mathrm{CO}$ ist so ein Stoff: Es bindet fest an Platin und blockiert die Plätze für die Adsorption von Wasserstoff. Die Zelle liefert weniger Strom, man spricht von Katalysatorvergiftung.
Wasserstoff aus Dampfreformierung enthält Spuren von $\mathrm{CO}$. Maßnahmen:
-
Wasserstoff vor der Zelle reinigen (z. B. zusätzliche Reinigungsstufe oder Membran).
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Hochreinen Wasserstoff aus der Elektrolyse verwenden.
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Katalysatoren einsetzen, die weniger empfindlich sind (z. B. Platin-Ruthenium-Legierungen).
Verunreinigungen des Wasserstoffs durch $\mathrm{CO}$ vergiften den Platinkatalysator. a) Erklären Sie die Katalysatorvergiftung. b) Nennen Sie zwei Maßnahmen zur…
Verunreinigungen des Wasserstoffs durch $\mathrm{CO}$ vergiften den Platinkatalysator.
- a) Erklären Sie die Katalysatorvergiftung.
- b) Nennen Sie zwei Maßnahmen zur Vermeidung.
Rechnen mit der Brennstoffzelle
Ein Wasserstoffauto verbraucht $1{,}0\,\text{kg}$ $\mathrm{H_2}$ pro $100\,\text{km}$ ($M = 2{,}02\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$). a) Berechnen Sie die Stoffmenge und…
Ein Wasserstoffauto verbraucht $1{,}0\,\text{kg}$ $\mathrm{H_2}$ pro $100\,\text{km}$ ($M = 2{,}02\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$).
- a) Berechnen Sie die Stoffmenge und die Masse an Wasser, die pro $100\,\text{km}$ entsteht ($M(\mathrm{H_2O}) = 18{,}0\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$).
- b) Berechnen Sie die Ladung, die dabei fließt ($F = 96.485\,\text{C}\cdot\text{mol}^{-1}$).
Wirkungsgrad und Bewertung
Ein Verbrennungsmotor wandelt zuerst chemische Energie in Wärme um und dann einen Teil der Wärme in Bewegung. Für diese Wärmekraftmaschine gilt eine Obergrenze, der Carnot-Wirkungsgrad, weil Wärme nie vollständig in Arbeit übergehen kann (grob ca. 30 % im Motor). Die Brennstoffzelle ist keine Wärmekraftmaschine: Sie wandelt chemische Energie direkt in elektrische Energie um. Deshalb gilt die Carnot-Grenze nicht, und sie erreicht ca. 60 %.
Zur Bewertung gehört mehr als der Wirkungsgrad:
-
Katalysator: Platin ist sehr aktiv und stabil, aber teuer und selten. Nickel ist billig, aber in saurer Umgebung weniger stabil und weniger aktiv. Für das Fahrzeug zählen Aktivität, Haltbarkeit, Vergiftungsempfindlichkeit und Kosten.
-
Herkunft des Wasserstoffs: Dampfreformierung: $\mathrm{CH_4 + H_2O \rightleftharpoons CO + 3\,H_2}$ (anschließend $\mathrm{CO + H_2O \rightarrow CO_2 + H_2}$), dabei entsteht $\mathrm{CO_2}$. Elektrolyse: $\mathrm{2\,H_2O \rightarrow 2\,H_2 + O_2}$, bei Strom aus Wind- und Solaranlagen (Grünstrom) weitgehend klimaneutral. Mit Strom aus Kohlekraftwerken verschiebt man die Emissionen nur.
Beurteilen Sie den Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle (ca. 60 %) gegenüber einem Verbrennungsmotor (ca. 30 %). a) Erklären Sie, warum die Brennstoffzelle nicht an den…
Beurteilen Sie den Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle (ca. 60 %) gegenüber einem Verbrennungsmotor (ca. 30 %).
- a) Erklären Sie, warum die Brennstoffzelle nicht an den Carnot-Wirkungsgrad gebunden ist.
- b) Berechnen Sie die elektrische Energie aus $1{,}0\,\text{kg}$ $\mathrm{H_2}$ bei $\Delta_R H = -286\,\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$ und 60 % Wirkungsgrad.
Vergleichen Sie Platin mit billigeren Katalysatoren (z. B. Nickel). a) Nennen Sie Kriterien (Aktivität, Stabilität, Kosten). b) Bewerten Sie den Einsatz im Fahrzeug (z.…
Vergleichen Sie Platin mit billigeren Katalysatoren (z. B. Nickel).
- a) Nennen Sie Kriterien (Aktivität, Stabilität, Kosten).
- b) Bewerten Sie den Einsatz im Fahrzeug (z. B. in einer Brennstoffzelle oder im Abgaskatalysator).
Wasserstoff für Brennstoffzellen wird durch Dampfreformierung oder Elektrolyse hergestellt. a) Formulieren Sie die Gleichungen beider Verfahren. b) Bewerten Sie die…
Wasserstoff für Brennstoffzellen wird durch Dampfreformierung oder Elektrolyse hergestellt.
- a) Formulieren Sie die Gleichungen beider Verfahren.
- b) Bewerten Sie die ökologische Bilanz.
- c) Beurteilen Sie die Rolle von Grünstrom.
Auf einen Blick
Zurück zum Anfang: Der Bus erzeugt Strom, weil an der Anode $\mathrm{H_2}$ oxidiert und an der Kathode $\mathrm{O_2}$ reduziert wird; die Elektronen fließen durch den Motor. Platin beschleunigt das als heterogener Katalysator, ohne verbraucht zu werden.
-
Anode: $\mathrm{H_2 \rightarrow 2\,H^+ + 2\,e^-}$ (Minuspol); Kathode: $\mathrm{O_2 + 4\,H^+ + 4\,e^- \rightarrow 2\,H_2O}$ (Pluspol).
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Brennstoffzelle: Zufuhr der Stoffe von außen, Strom, solange Brennstoff nachströmt; Batterie: Stoffe im Gerät, irgendwann leer.
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Heterogene Katalyse: Katalysator in anderer Phase, senkt die Aktivierungsenergie, bleibt unverändert, verschiebt das Gleichgewicht nicht.
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Teilschritte an Platin: Adsorption, Spaltung, Elektronenabgabe, Desorption.
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$\mathrm{CO}$ vergiftet den Katalysator, indem es die aktiven Zentren blockiert.
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Bewertung: Wirkungsgrad (ca. 60 % gegenüber ca. 30 %), Katalysatorkosten und Herkunft des Wasserstoffs.