zum Skript

Wie bei der „heißen“ Verbrennung entsteht Wasser. Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass
die Prozesse in einer Brennstoffzelle bei Umgebungstemperatur ablaufen können. Die Ausgangstoffe
Wasserstoff und Sauerstoff werden an getrennte Elektroden geführt.
Der Wasserstoff gelangt an die Anode; der Sauerstoff an die Kathode. Die Platinbeschichtung wirkt als
Katalysator und sorgt dafür, dass die Aktivierungsenergie der chemischen Reaktion deutlich gesenkt
wird. Dem an die Anode geführten Wasserstoff werden durch die katalytische Wirkung der Elektrode
die Elektronen entrissen 3 . Dabei wird das neutrale Wasserstoffatom in ein Proton (H + ) und ein
Elektron (e - ) zerlegt. Da Wasserstoff in molekularer Form vorliegt, werden an der Anode also immer
zwei Atome in ihre Bestandteile zerlegt.
An der Anode befinden sich somit freie, bewegliche Elektronen (e - ) und Protonen (H + ).
Zwischen der Anode und der Kathode befindet sich eine Membran, die nur für Protonen durchlässig ist
(Proton Exchange Membran - PEM). Durch diese gelangen die Protonen auf die Sauerstoffseite, der
Kathode 4 . Hier reichern sich die Protonen an, was dazu führt, dass sich die Kathode positiv auflädt.
Zwischen den beiden Elektroden entsteht eine Potentialdifferenz.
Die vom Wasserstoff abgegebenen Elektronen werden von der Anode „abgesaugt“ und zur Kathode,
die über einen Verbraucher (Elektromotor, Lampe, …) mit der Anode verbunden ist, weitergeleitet, so
dass ein elektrischer Strom fließt. An der Kathode werden die Elektronen nun vom Sauerstoff
aufgenommen.
Die O 2 -Molekülbindung wird aufgespalten, sodass zweifach negativ geladene Sauerstoff-Ionen
entstehen. Chemisch gesehen ist dies eine Reduktion. Die Protonen verbinden sich mit den negativ
geladenen Sauerstoff-Ionen zu Wasser.
Abbildung 3: Chemische Umwandlungen in der Brennstoffzelle 5
Solange Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt werden, bildet sich zwischen den Elektroden eine
Spannung, mit der ein Stromfluss in Gang gehalten werden kann. Die Brennstoffzelle ist somit eine
Elektrizitätsquelle, die geräuschlos und ohne Abgase arbeitet.
Achtung!
Die Brennstoffzelle darf nicht mit einer Elektrizitätsquelle
verbunden werden!!!
3 Ein Chemiker bezeichnet eine solche Reaktion als „Oxidation“. Allgemein bedeutet Oxidation eine Abgabe von
Elektronen und Reduktion eine Aufnahme von Elektronen. Im ursprünglichen, speziellen Sinne bedeutet Oxidation das
Entstehen einer Sauerstoffverbindung.
4 Als Kathode bezeichnet man die Elektrode, an der Reduktionsreaktionen – d.h. Reaktionen, bei denen Elektronen
aufgenommen werden – stattfinden. Entscheidend ist also nicht das Vorzeichen der Spannung, die an der Elektrode anliegt,
sondern die Art der chemischen Reaktion, die an ihr stattfindet! (Bei Elektrolysen ist die Kathode die negativ geladene
Elektrode, bei Batterien und Brennstoffzellen die positiv geladene.)
5 Quelle: unbekannt