Von katalytischen Reaktionen an Metalloberflächen zur Brennstoffzelle -
Ein Experiment zur Speicherung von solarer Energie

Referent:

Prof. Dr. Klaus Christmann, Katalyse-Forscher und Buchautor, Physikalische Chemie der FU Berlin

Ort:

Kristallographie, Takustr. 6, Hörsaal

Zeit:

Mittwoch, 2003-01-08 18:15 - 20:00 Uhr

Im vorangehenden Vortrag unserer Ringvorlesung hat uns Hermann Scheer gezeigt, dass die in absehbarer Zeit zwingend vorgeschriebene Umstellung unserer Energieversorgung von fossilen Energien auf erneuerbare, letztlich solare, dezentral gewonnene Energien zugleich ein Weg sein könnte, um die weltweiten Kriege um Öl und Macht zu beenden und eine humanere, demokratischere Weltgesellschaft entstehen zu lassen.

Eine wichtige Rolle bei der technischen Speicherung von dezentral gewonnenen Energien spielt Wasserstoff, der in elementarer Form als Gas (oder auch in Form organischer Verbindungen) einen Energieträger darstellt. Diese Energie kann bei seiner chemischen Umsetzung mit dem Sauerstoff der Luft unter Bildung von Wasser freigesetzt werden.

Wenn man den Wasserstoff ebenso wie fossile Energieträger in herkömmlichen Kraftwerken verbrennt, wird die dabei freigesetzte Energie als Verbrennungswärme bei einer erhöhten (absoluten) Temperatur T₁ entwickelt. Ein Teil dieser bei T₁ entwickelten Wärmeenergie Q₁ kann durch eine sogenannte "Wärmekraftmaschine" (Dampfmaschine) als mechanische Arbeit W zum Heben eines Gewichts (oder zum Ziehen einer Eisenbahn) nutzbar gemacht werden. Der restliche Energiebetrag Q₁ - W = Q₂ muss dann von der Maschine als Wärme an die kältere Umgebung von der Temperatur T₂ (z.B. an das Wasser eines Flusses) abgegeben werden *).

*) In dieser vereinfachten Darstellung sollen Q₁ und Q₂ nur die Beträge der bei T₁ bzw. T₂ übertragenen Wärmemengen bedeuten, ohne Berücksichtigung der Übertragungsrichtung (d.h. des Vorzeichens). Ebenso soll W hier nur den Betrag der bei einem Zyklus der Maschine übrig bleibenden Nettoarbeit bedeuten.

Als "Wirkungsgrad" bezeichnet man das Verhältnis der von der Maschine geleisteten Arbeit W zu der dabei eingesetzten Wärmeenergie Q₁. Nach einer von dem französischen Physiker Carnot abgeleiteten Formel ist dieser Wirkungsgrad im günstigsten Fall (d.h. im Fall eines reversiblen Kreisprozesses):

W/Q₁ = (T₁ - T₂)/T₁

In jedem praktischen Fall (besonders beim Auftreten von Reibung und irreversiblem Wärmefluss über ein Temperaturgefälle) ist der Wirkungsgrad einer Dampfmaschine kleiner als nach der obigen Carnot-Formel.

Aber selbst im Idealfall nach Carnot ist der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine immer kleiner als 1, d.h. man kann prinzipiell niemals auch nur annähernd die gesamte Verbrennungswärme Q₁ als Arbeit W nutzbar machen.

Speziell zur Nutzung der Verbrennungsenergie des Wasserstoffs eröffnen aber die katalytischen Eigenschaften mancher Metalloberflächen, insbesonders des Platins, noch eine ganz andere, technisch viel elegantere Möglichkeit, die chemische Umsetzung von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser bei einheitlicher, niedriger Temperatur ohne wesentliche Wärmeentwicklung so durchzuführen, dass dabei im reversiblen Grenzfall im Prinzip die gesamte Gibbssche Reaktionsenergie -G dieser Verbrennungsreaktion als elektrische oder mechanische Arbeit gewonnen werden kann. (Für Chemiker sei angemerkt, dass -G = -H + TS für diese Reaktion etwas kleiner ist als die Verbrennungswärme -H, weil S bei dieser Reaktion zufällig negativ ist.)

Die chemische Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff ist normalerweise so stark gehemmt, dass eine als "Knallgas" bezeichnete Mischung dieser beiden Gase bei Normaltemperatur metastabil ist, d.h. die Reaktionsgeschwindigkeit ist unmessbar klein. An der Oberfläche eines Platindrahtes wird jedoch diese Hemmung aufgehoben. Das Platin wirkt also als "Katalysator", das ist ein "Beschleuniger einer chemischen Reaktion, der dabei selber unverändert erhalten bleibt". Bringt man daher einen dünnen Platindraht in die Knallgasmischung, so wird dieser durch die an seiner Oberfläche ablaufende Verbrennungsreaktion so heiß, dass das ganze Knallgas explodiert (daher sein Name).

Worauf könnte die Reaktionshemmung der Knallgasreaktion und die Aufhebung dieser Hemmung durch das Platin beruhen?

In der Gasphase liegen Wasserstoff und Sauerstoff als relativ stabile zweiatomige Moleküle vor, die für eine chemische Umsetzung teilweise aufgebrochen werden müssten. Offenbar reicht die kinetische Energie der thermischen Zusammenstöße der Moleküle bei Normaltemperatur für ein Aufbrechen dieser Bindungen nur so selten aus, dass die Reaktionsgeschwindigkeit unmessbar klein ist.

An einer Platinoberfläche können dagegen die zweiatomigen Moleküle adsorbiert werden und auch schon bei Normaltemperatur in adsorbierte Atome dissoziieren. (H-Atome können sogar in Protonen und Elektronen dissoziieren und tiefer ins Kristallgitter des Platins eindringen.) Einem Zusammentritt von adsorbierten H-Atomen und O-Atomen zu H₂O-Molekülen und deren anschließender Desorption in die Gasphase steht daher in diesem Fall kein Hindernis mehr im Wege.

Wenn man bei Normaltemperatur aus der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff unter Bildung von Wasser eine mechanische oder elektrische Arbeit gewinnen will, dann darf man die Gase natürlich auf keinen Fall miteinander und zugleich mit Platin in Berührung bringen (siehe oben!). Statt dessen kann man aber einen von Wasserstoff umspülten Platindraht und (in gebührendem Abstand) einen anderen, von Sauerstoff umspülten Platindraht gleichzeitig in eine wässrige NaOH-Lösung eintauchen. Dabei entsteht zwischen den beiden Platindrähten eine elektrische Spannung, die man über einen Elektromotor zur Leistung einer elektrischen oder mechanischen Arbeit ausnutzen kann. Dabei fließt ein elektrischer Strom durch die Zelle, wobei an der Wasserstoffelektrode H⁺-Ionen entstehen, die sich mit den OH^--Ionen zu H₂O umsetzen, während die im Platinmetall zurückgebliebenen Elektronen unter Arbeitsleistung durch den Elektromotor hindurch zur Sauerstoffelektrode wandern und dort mit Sauerstoff und Wasser OH^--Ionen bilden. Die Summe beider Elektrodenreaktionen ist die Bildung von Wasser aus den Gasen Wasserstoff und Sauerstoff (vgl. Abb. 11.7 S. 123 in R. Reich: Thermodynamik, Grundlagen und Anwendungen in der allgemeinen Chemie, VCH 1993).

Das im Vortrag von Klaus Christmann vorgeführte "Experiment zur Speicherung solarer Energie" besteht darin, dass die Lichtenergie einer sehr hellen Lampe ("der Sonne") zunächst mit Hilfe einer Solarzelle und einer Elektrolyse-Zelle über elektrische Energie in die chemische Energie von getrenntem Wasserstoff und Sauerstoff verwandelt wird. Da der Elektrolyse-Vorgang im Prinzip "reversibel" (d.h. umkehrbar) ist, kann man die so erzeugte "galvanische Kette" aus einer Wasserstoff-Elektrode und einer Sauerstoff-Elektrode in einer Elektrolytlösung anschließend zum elektrischen Betrieb eines Spielzeugautos verwenden und dabei die chemisch gespeicherte Sonnenenergie mechanisch nutzbar machen. Der wesentliche Vorteil einer solchen "Brennstoffzelle" besteht darin, dass der Brennstoff (der Wasserstoff) nicht (wie die Kohle in einer Dampflokomotive) verbrannt und dabei die chemische Energie bei hoher Temperatur zunächst in Wärmeenergie verwandelt wird, von der anschließend in einer Wärmekraftmaschine sogar im Idealfall nach Carnot nur ein gewisser Bruchteil als mechanische Energie nutzbar gemacht werden könnte, sondern dass die gespeicherte Gibbs-Energie -G des chemischen Systems aus Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle im Idealfall bei einheitlicher Temperatur nahezu vollständig in mechanische Energie umgewandelt werden kann.

Diese prinzipielle Überlegenheit gegenüber einer Wärmekraftmaschine ist in der politischen Diskussion als Argument für die Durchsetzung der Brennstoffzelle bisher noch kaum gewürdigt worden.