Heterogene Katalyse in der Brennstoffzelle

Aufbau und Reaktionen der Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, bei der die Reaktionspartner laufend von außen zugeführt werden. Eine Batterie enthält dagegen einen begrenzten Vorrat an Reaktanden und ist irgendwann leer. Die Brennstoffzelle liefert Strom, solange Wasserstoff und Sauerstoff nachströmen.

Zwei Platinelektroden sind durch einen Elektrolyten getrennt. In der sauren Zelle (PEM-Zelle) ist das eine protonenleitende Membran. Der Elektrolyt leitet Ionen (hier $\mathrm{H^+}$), aber keine Elektronen. So müssen die Elektronen den Weg über den äußeren Stromkreis nehmen und verrichten dort Arbeit.

An der Anode wird oxidiert (Elektronenabgabe), sie ist in der galvanischen Zelle der Minuspol. An der Kathode wird reduziert, sie ist der Pluspol.

Die Gesamtgleichung ist die „Knallgasreaktion“, aber ohne Flamme: Die Elektronen werden gezwungen, durch den Draht zu fließen. Das Oxidationsmittel $\mathrm{O_2}$ nimmt die Elektronen auf (Oxidationszahl von O: 0 → −II), $\mathrm{H_2}$ gibt sie ab (0 → +I).

Heterogene Katalyse am Platin

Wasserstoff und Sauerstoff reagieren bei Raumtemperatur ohne Katalysator praktisch nicht: Die Aktivierungsenergie ist hoch, vor allem weil die stabilen Moleküle $\mathrm{H_2}$ und $\mathrm{O_2}$ erst gespalten werden müssen. Platin ermöglicht die Reaktion mit hoher Geschwindigkeit: Es verändert nicht, ob die Reaktion thermodynamisch möglich ist, sondern nur, wie schnell sie abläuft.

Teilschritte an der Anode (Platinoberfläche):

1. Adsorption: $\mathrm{H_2}$-Moleküle lagern sich an die Platinoberfläche an.

2. Spaltung: Die H–H-Bindung wird geschwächt und gespalten, es entstehen an Pt gebundene H-Atome.

3. Elektronenabgabe: Jedes H-Atom gibt ein Elektron an das Metall ab und wird zu $\mathrm{H^+}$.

4. Desorption: Die $\mathrm{H^+}$-Ionen verlassen die Oberfläche und wandern in den Elektrolyten.

Der Katalysator wird nicht verbraucht, weil er in einem späteren Teilschritt zurückgebildet wird: Nach der Desorption ist die Platinoberfläche wieder frei für neue Moleküle. Die Lage des Gleichgewichts und die Reaktionsenthalpie ändert er nicht, nur die Geschwindigkeit.

An der Kathode läuft Entsprechendes ab: $\mathrm{O_2}$ wird am Platin adsorbiert, die O=O-Bindung gespalten, und die Sauerstoffatome reagieren mit $\mathrm{H^+}$ und Elektronen zu Wasser, das desorbiert.

Rechnen mit der Brennstoffzelle

Ein Wasserstoffauto braucht ungefähr 1 kg $\mathrm{H_2}$ auf 100 km. Wie viel Wasser entsteht dabei, wie viel Ladung fließt und wie viel Energie steht zur Verfügung?

Grundlagen: $n = \dfrac{m}{M}$, die Koeffizienten der Gleichung geben das Stoffmengenverhältnis, und pro Mol $\mathrm{H_2}$ werden 2 mol Elektronen übertragen (siehe Anodengleichung). Die Ladung ist $Q = n(\mathrm{e^-}) \cdot F$ mit $F = 96\,485\,\mathrm{C\cdot mol^{-1}}$.

Beachte die Größenordnung: Aus 1 kg Wasserstoff entstehen fast 9 kg Wasser, denn der Sauerstoff aus der Luft steckt im Produkt.

Katalysatorgift und Katalysatorwahl

Technischer Wasserstoff enthält oft Spuren von Kohlenstoffmonoxid $\mathrm{CO}$. CO wird am Platin stärker adsorbiert als $\mathrm{H_2}$ und besetzt die aktiven Plätze dauerhaft. Dann können keine $\mathrm{H_2}$-Moleküle mehr gespalten werden, die Leistung sinkt: Der Katalysator ist vergiftet.

Gegenmaßnahmen: hochreinen Wasserstoff verwenden (Reinigung, z. B. Gasfilter), CO vor der Zelle chemisch entfernen, höhere Betriebstemperatur (CO desorbiert leichter) oder CO-tolerante Legierungen (z. B. Platin-Ruthenium).

Platin ist sehr aktiv und stabil in saurer Umgebung, aber selten und teuer. Billigere Metalle wie Nickel sind weniger aktiv oder korrodieren im sauren Elektrolyten. Bei der Wahl vergleicht man:

Im Fahrzeug zählt zusätzlich: Platinbedarf pro kW, Lebensdauer und Recycling.

Wirkungsgrad und Herkunft des Wasserstoffs

Wirkungsgrad. Ein Verbrennungsmotor wandelt Wärme in Arbeit um. Das geht nur teilweise, die Grenze gibt der Carnot-Wirkungsgrad $\eta_\mathrm{C} = 1 - \dfrac{T_\mathrm{kalt}}{T_\mathrm{heiß}}$ vor, in der Praxis etwa 30 %. Eine Brennstoffzelle ist keine Wärmekraftmaschine: Sie wandelt chemische Energie direkt in elektrische Energie um, ohne den Umweg über Wärme. Deshalb gilt die Carnot-Grenze nicht, und etwa 60 % sind erreichbar.

Herstellung des Wasserstoffs. Wasserstoff ist ein Energieträger, keine Energiequelle.

• Dampfreformierung: $\mathrm{CH_4 + H_2O \rightarrow CO + 3\,H_2}$, danach $\mathrm{CO + H_2O \rightarrow CO_2 + H_2}$. Es entsteht $\mathrm{CO_2}$ („grauer“ Wasserstoff), die Ausgangsstoffe sind fossil.

• Elektrolyse: $\mathrm{2\,H_2O \rightarrow 2\,H_2 + O_2}$. Das ist die Umkehrung der Brennstoffzellenreaktion und braucht elektrische Energie.

Die ökologische Bilanz hängt vom Strom ab. Bei Elektrolyse mit Strom aus Kohle fällt viel $\mathrm{CO_2}$ an. Mit Grünstrom (Wind, Sonne) entsteht „grüner“ Wasserstoff, der im Betrieb und bei der Herstellung kaum $\mathrm{CO_2}$ verursacht. Bei einer Gesamtbewertung zählen auch Verluste bei Elektrolyse, Verdichtung und Transport, Speicherung, Infrastruktur (H₂-Tankstellen) und Platinbedarf.

Auf einen Blick