Brennstoffzelle Funktionsweise einfach erklärt
Die Brennstoffzelle Funktionsweise beruht darauf, dass Wasserstoff und Sauerstoff kontrolliert und ohne offene Flamme zu Wasser reagieren, wobei elektrische Energie freigesetzt wird. In dieser Lektion lernst du, welche Teilreaktionen an Anode und Kathode ablaufen, wie sich eine Brennstoffzelle von einer normalen Verbrennung unterscheidet und wo sie heute eingesetzt wird. Am Ende kannst du erklären, warum Brennstoffzellen als klimafreundliche Alternative gelten.
- Fach: Chemie
- Klasse 11
- Thema: Chemische Reaktionen
- Dauer: 18 Min
- Niveau: Schwer
Was eine Brennstoffzelle ist
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, die die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser nutzt, um direkt elektrische Energie zu erzeugen. Anders als bei einer Batterie werden die Ausgangsstoffe Wasserstoff und Sauerstoff kontinuierlich von außen zugeführt, solange die Zelle betrieben wird.
Im Inneren der Brennstoffzelle trennt eine Elektrolytmembran zwei Elektroden, die Anode und die Kathode. An der Anode wird Wasserstoff zugeführt, an der Kathode Sauerstoff, meist direkt aus der Luft. Die eigentliche chemische Reaktion läuft getrennt in zwei Teilschritten an den beiden Elektroden ab.
Ein typischer Fehler ist zu glauben, in der Brennstoffzelle finde eine offene Verbrennung mit Flamme statt. Tatsächlich laufen die Teilreaktionen kontrolliert und ohne Flamme an den Elektroden ab, die Energie wird dabei direkt als elektrischer Strom nutzbar, nicht als Wärme wie bei einer Verbrennung.
Reaktionen an Anode und Kathode
An der Anode wird Wasserstoff oxidiert, dabei gibt jedes Wasserstoffmolekül zwei Elektronen ab und es entstehen zwei Wasserstoff-Ionen. Die Elektronen fließen über den äußeren Stromkreis zur Kathode und leisten dabei elektrische Arbeit, während die Wasserstoff-Ionen durch die Elektrolytmembran wandern.
An der Kathode nimmt Sauerstoff die über den äußeren Stromkreis ankommenden Elektronen sowie die durch die Membran gewanderten Wasserstoff-Ionen auf, dabei entsteht Wasser. In der Summe entspricht die Gesamtreaktion der Knallgasreaktion, läuft aber räumlich getrennt und kontrolliert ab.
- H
- ein Wasserstoffmolekül (H2), das an der Anode oxidiert wird
- S
- ein halbes Sauerstoffmolekül (O2), das an der Kathode reduziert wird
- W
- ein Molekül Wasser (H2O), das Gesamtprodukt der Zelle
Rechenbeispiel: Energieertrag abschätzen
Eine kleine Brennstoffzelle setzt 4 Gramm Wasserstoff vollständig mit Sauerstoff um. Berechne, wie viel Gramm Wasser dabei theoretisch entstehen, wenn man weiß, dass 2 Gramm Wasserstoff mit 16 Gramm Sauerstoff zu 18 Gramm Wasser reagieren.
Gegeben:
- Eingesetzte Masse Wasserstoff: 4 g
- Verhältnis: 2 g Wasserstoff ergeben 18 g Wasser
Gesucht:
Entstehende Masse an WasserLösung:
- Verhältnis aufstellen: 2 g Wasserstoff entsprechen 18 g Wasser.
- Faktor bestimmen: 4 g Wasserstoff sind doppelt so viel wie 2 g, also Faktor 2.
- Wassermasse berechnen: 18 g · 236 g.
- Ergebnis mit dem Gesetz der Erhaltung der Masse prüfen: 4 g Wasserstoff plus 32 g Sauerstoff ergeben ebenfalls 36 g Wasser.
Aus 4 Gramm Wasserstoff entstehen in der Brennstoffzelle theoretisch 36 Gramm Wasser, wenn der gesamte Wasserstoff mit ausreichend Sauerstoff reagiert. Diese Rechnung zeigt, dass die eingesetzte Masse an Wasserstoff und Sauerstoff vollständig im entstehenden Wasser wiederzufinden ist.
Brennstoffzelle und Verbrennungsmotor im Vergleich
Sowohl die Brennstoffzelle als auch der Verbrennungsmotor nutzen letztlich eine chemische Reaktion, um Energie freizusetzen, unterscheiden sich aber deutlich in der Art der Energieumwandlung. Im Verbrennungsmotor wird chemische Energie zunächst in Wärme und dann über bewegte Kolben in mechanische Energie umgewandelt, wobei bei jedem Schritt Energie als Abwärme verloren geht.
Die Brennstoffzelle wandelt die chemische Energie dagegen direkt in elektrische Energie um, ohne den Umweg über mechanische Bewegung, deshalb erreicht sie unter günstigen Bedingungen einen höheren Wirkungsgrad. Zusätzlich entsteht bei der Brennstoffzelle mit reinem Wasserstoff als Brennstoff nur Wasser als Abgas, während der Verbrennungsmotor stets auch Kohlenstoffdioxid und weitere Abgase freisetzt.
| Elektrode | Zugeführter Stoff | Vorgang |
|---|---|---|
| Anode | Wasserstoff | Oxidation, Abgabe von Elektronen |
| Kathode | Sauerstoff aus der Luft | Reduktion, Bildung von Wasser |
Typische Fehler bei der Brennstoffzelle
Ein häufiger Fehler ist, die Brennstoffzelle mit einer Batterie zu verwechseln. Eine Batterie speichert eine begrenzte Menge chemischer Energie in sich selbst, eine Brennstoffzelle dagegen wird kontinuierlich mit Wasserstoff und Sauerstoff von außen versorgt und kann deshalb dauerhaft Strom liefern, solange Brennstoff nachkommt.
Ein zweiter Fehler ist zu glauben, in der Brennstoffzelle finde eine gewöhnliche Verbrennung mit Flamme statt. Tatsächlich laufen Oxidation und Reduktion räumlich getrennt an Anode und Kathode ab, wodurch die Energie direkt als elektrischer Strom nutzbar wird, statt größtenteils als Wärme zu entweichen.
Ein dritter Fehler ist, Brennstoffzellen grundsätzlich als vollständig emissionsfrei zu bezeichnen. Zwar entsteht bei der Reaktion selbst nur Wasser, doch wie klimafreundlich eine Brennstoffzelle insgesamt ist, hängt stark davon ab, wie der eingesetzte Wasserstoff hergestellt wurde.
Alltagsbezug: Einsatz von Brennstoffzellen
Brennstoffzellen werden heute bereits in einzelnen Fahrzeugen, Bussen und sogar in der Raumfahrt eingesetzt, wo sie zuverlässig und ohne bewegliche Teile elektrischen Strom liefern. Ein Vorteil gegenüber batteriebetriebenen Fahrzeugen ist die kurze Betankungszeit mit Wasserstoff, die der eines herkömmlichen Tankvorgangs ähnelt.
Wie umweltfreundlich eine Brennstoffzelle tatsächlich ist, hängt entscheidend von der Herstellung des Wasserstoffs ab. Wird der Wasserstoff mit Strom aus erneuerbaren Energien durch Elektrolyse von Wasser gewonnen, spricht man von grünem Wasserstoff, während bei der Herstellung aus Erdgas weiterhin Kohlenstoffdioxid frei wird.
Jetzt bist du dran
Welches einzige Abfallprodukt entsteht in einer Brennstoffzelle mit reinem Wasserstoff?
Noch nicht. Bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle entsteht als einziges Produkt Wasser, deshalb gilt sie bei der Nutzung als besonders sauber.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Brennstoffzelle wandelt chemische Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff direkt in elektrische Energie um.
- An der Anode wird Wasserstoff oxidiert, an der Kathode wird Sauerstoff zu Wasser reduziert.
- Anders als beim Verbrennungsmotor läuft die Reaktion kontrolliert und ohne Flamme ab.
- Als einziges Abfallprodukt entsteht bei reinem Wasserstoff Wasser.
- Wie klimafreundlich eine Brennstoffzelle wirklich ist, hängt von der Herstellung des eingesetzten Wasserstoffs ab.
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Häufige Fragen zu Brennstoffzelle Funktionsweise einfach erklärt
- Wie funktioniert eine Brennstoffzelle einfach erklärt?
- In einer Brennstoffzelle wird Wasserstoff an der Anode oxidiert und gibt Elektronen ab, die über einen äußeren Stromkreis fließen. An der Kathode nehmen Sauerstoff und die durch eine Membran gewanderten Wasserstoff-Ionen diese Elektronen wieder auf, dabei entsteht Wasser.
- Was ist der Unterschied zwischen einer Brennstoffzelle und einer Batterie?
- Eine Batterie speichert eine begrenzte Menge chemischer Energie in sich selbst und ist irgendwann leer. Eine Brennstoffzelle wird dagegen kontinuierlich mit Wasserstoff und Sauerstoff von außen versorgt und kann deshalb dauerhaft Strom liefern.
- Warum entsteht in einer Brennstoffzelle nur Wasser?
- Weil bei reinem Wasserstoff als Brennstoff die einzige chemische Reaktion die Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser ist. Es gibt keine Kohlenstoffverbindungen im Brennstoff, aus denen Kohlenstoffdioxid entstehen könnte.
- Ist eine Brennstoffzelle wirklich klimaneutral?
- Die Reaktion selbst erzeugt nur Wasser, entscheidend ist aber, wie der eingesetzte Wasserstoff hergestellt wurde. Nur grüner Wasserstoff aus erneuerbaren Energien macht den gesamten Prozess klimafreundlich, Wasserstoff aus Erdgas verursacht weiterhin Kohlenstoffdioxid.
- In welcher Klasse lernt man die Brennstoffzelle?
- Die Brennstoffzelle wird meist in der elften Klasse im Rahmen elektrochemischer Reaktionen behandelt und baut auf dem Wissen über Redoxreaktionen und die Spannungsreihe der Metalle auf.
- Warum hat die Brennstoffzelle einen höheren Wirkungsgrad als der Verbrennungsmotor?
- Die Brennstoffzelle wandelt chemische Energie direkt in elektrische Energie um, während der Verbrennungsmotor den Umweg über Wärme und mechanische Bewegung nimmt, wobei bei jedem Schritt Energie als Abwärme verloren geht.
- Wo werden Brennstoffzellen heute eingesetzt?
- Brennstoffzellen kommen bereits in einzelnen Personenwagen, Bussen, Gabelstaplern und in der Raumfahrt zum Einsatz, weil sie zuverlässig Strom liefern und sich mit Wasserstoff schnell betanken lassen.
- Was passiert mit den Wasserstoff-Ionen in der Brennstoffzelle?
- Die an der Anode entstehenden Wasserstoff-Ionen wandern durch eine spezielle Elektrolytmembran zur Kathode, wo sie zusammen mit Sauerstoff und den ankommenden Elektronen zu Wasser reagieren.
Wiederhol diese Fragen später mit deinem Lernkarten-Trainer.