Tertiärzelle

Tertiärzelle: Ein erster Einstieg

Neben den Primärelementen (Batterien) und Sekundärelementen (Akkumulatoren / Akkus) der galvanischen Zellen stellt das Tertiärelement das langlebigste dar. Genau genommen sind sie jedoch keine Batterien und auch keine Akkus mehr, da sie kein in sich geschlossenes System sind. Der dauerhafte Zufluss des Brennstoffs ist dabei eine der wichtigsten Eigenschaften von Tertiärelementen.

Um diese Besonderheiten aber wirklich verstehen zu können schau dir nochmal intensiv den Rückblick zur galvanischen Zelle an.

Tertiärzelle: Rückblick auf die Galvanische Zelle

Da die Tertiärelemente zu den galvanischen Zellen (oder auch galvanischen Elementen) gehören, ist es sinnvoll noch einmal zu wiederholen, worum es sich dabei überhaupt handelt. Galvanische Zellen wandeln in einer Redoxreaktion chemische in elektrische Energie um, die anschließend genutzt werden kann.

Anwendungen für galvanische Zellen findest du in Batterien oder Akkus, die immer nach diesem Prinzip funktionieren. Möglich wird das grundlegend durch die Übergänge von Elektronen, allerdings nicht durch einen direkten Kontakt der reagierenden Stoffe, sondern über einen separaten Weg.

Hierzu wird die Redoxreaktion in zwei Halbzellen unterteilt, was zwei voneinander getrennten Gefäßen entspricht. Die Reaktion wird dadurch ebenfalls unterteilt und in einer der beiden Halbzellen findet die Oxidation in der anderen die Reduktion statt.

Wie du in Abbildung 1 erkennen kannst wird in jede der Halbzellen eine Elektrode aus einem spezifischen Metall sowie eine Lösung, welche das gleiche Metall enthält, platziert. In diesem Beispiel sind das Kupfer und Zink Elektroden, sowie CuSO₄- und ZnSO₄-Lösungen. In welcher der beiden Halbzellen nun die Oxidation bzw. die Reduktion statt findet, hängt von dem Metall ab, welches in Form der Elektrode in der Halbzelle platziert wurde.

In der linken Halbzelle befindet sich eine Elektrode aus Zink. Zink hat ein niedrigeres Redoxpotential als Kupfer, was dazu führt, dass mehr (positive) Ionen an der Zink Elektrode in die Lösung übergehen als bei der Kupfer Elektrode. Hier findet also die Oxidation der Redoxreaktion statt. Somit wird diese Elektrode stärker negativ geladen und stellt die Anode dar, wohingegen die Elektrode aus Kupfer weniger negativ geladen ist und zur Kathode wird.

Du weißt nun, dass an der Anode die Oxidation und an der Kathode die Reduktion stattfindet. Der dabei entstandene Ladungsunterschied zwischen den beiden Elektroden führt zu einem Elektronenfluss von der Anode zur Kathode. Die Elektronen laufen dabei über einen Draht, welcher zwischen den Elektroden angebracht und mit einem Voltmeter zur Messung versehen wurde.

Damit nun aber wirklich ein Elektronenfluss entsteht, muss der Stromkreis vollständig geschlossen sein. Momentan würden die Elektronen nur von einer Halbzelle in die andere fließen und ein Ungleichgewicht würde entstehen, wodurch die galvanische Zelle nicht mehr funktionstüchtig wäre.

Um dem entgegen zu wirken, müssen die entstehenden Anionen (So₄^2-) und Kationen (Zn²⁺) in den Stromkreis der galvanischen Zelle eingebunden werden. Dazu wird eine sogenannte Salzbrücke angelegt. Sie reicht von der Lösung der ersten Halbzelle bis in die Lösung der zweiten Halbzelle und besteht aus einem Gel/einer Flüssigkeit, welches den Ausgleich von Anionen und Kationen ermöglicht (Elektrolyt) (siehe Abbildung 2).

Zum Ende dieses Rückblicks auf die galvanische Zelle vergegenwärtige dir noch einmal, dass die fortlaufende Ablagerung der Ionen an der Anode und die daraus folgende Anlagerung von Ionen an die Kathode zu einem Verlust der Masse an der Anode sowie einer Zunahme der Masse an der Kathode führt. Diese Form der galvanischen Zelle ist also nicht unbegrenzt nutzbar und wird irgendwann nicht mehr funktionieren.

Besonderheiten der Tertiärzelle

Der große Unterschied zu den anderen galvanischen Elementen besteht darin, dass einer Tertiärzelle durchgehend der Brennstoff über die Elektroden nachgeliefert wird und sie so theoretisch unbegrenzt laufen kann. Die Reaktion, welche in einem Wasserstoff-Tertiärelement statt findet, ist simpel und sieht wie folgt aus:

Aber auch im Tertiärelement findet man wie bei den galvanischen Zellen zwei Elektroden vor, welche in zwei separaten Halbzellen untergebracht sind. Allerdings werden in herkömmlichen Tertiärelementen keine Salzbrücken als Elektrolyte genutzt, sondern semipermeable Membranen, welche die Halbzellen voneinander abgrenzen und nur für eine Ionenart durchlässig sind. Der weitere Aufbau der Tertiärzelle beziehungsweise der Halbzellen auf beiden Seiten der Membran ähnelt einem Sandwich mit mehreren Lagen. (Abbildung 3)

Die Membran wird von zwei Seiten durch die Anode und die Kathode umschlossen. Wobei die Kathode mit Luft und die Anode mit dem Brennstoff versorgt wird. Die beiden Elektroden werden wiederum durch einen Katalysator abgedeckt und hinter dem Katalysator kommt abschließend die Gasdiffusionslage (GDL).

Auch wenn der Aufbau erst einmal sehr abgewandelt aussieht, kann man doch die Grundzüge wie Elektrolyt, Halbzellen und Elektroden der galvanischen Zelle wieder erkennen.

Wozu nun aber die neuen Schichten die das Tertiärelement im besonderen charakterisieren?

Die Membran

Elektrolyte kennst du bereits aus den galvanischen Elementen. Und auch hier ist es durch die Eigenschaften der semipermeablen Membran möglich, den benötigten Ladungsausgleich zu schaffen. Diese hat die Fähigkeit nur bestimmte Moleküle passieren zu lassen und ungewollte Moleküle zurück zu halten. In den meisten Fällen werden Kationen von der Anode zur Kathode durch gelassen, welche anschließend mit dem Sauerstoff der Kathode reagieren.

Katalysatoren

Die dünnen aus einer Kohlenstoffschicht bestehenden Katalysatoren sind mit Platin oder Palladium besetzt. Sie unterstützen die Reaktanden dabei, die benötigten Stoffe und Teilchen zur Verfügung zu stellen. Bei der Anode wird so sicher gestellt, dass die benötigten Protonen vom Wasserstoff abgetrennt werden und an der Kathode der Sauerstoff reduziert wird.

Gasdiffusionslage (GDL)

Die GDL´s sind unerlässlich für die Zufuhr der Reaktanden für die Katalysatoren. Außerdem sorgen sie auch dafür, dass die Produkte der Reaktion wieder abtransportiert werden. Sie bestehen aus Kohlefasern, die mit Poren übersäht sind. Durch diese Poren gelangen Edukte und Produkte zu ihrem vorgesehenen Platz.

Bipolarplatten

Um die Tertiärzelle abzugrenzen wird sie von außen noch durch zwei Bipolarplatten umgeben. Die Platten bestehen aus massiven und elektrisch leitenden Materialien wie beispielsweise Metallen, um der Zelle Stabilität und gleichzeitig die Möglichkeit zur Kopplung mit anderen Zellen zu ermöglichen. Diese Kopplung ist wichtig, da eine einzelne Zelle relativ wenig Spannung bietet, weshalb mehrere in Reihe geschalten werden und so einen Stack (Stapel) bilden.

Anwendung der Tertiärzelle

Nachdem du dir die Grundlagen zum Aufbau und der Funktion angeschaut hast, kommt jetzt noch etwas Input zur Einordnung des Tertiärelements und wofür du das alles gelernt hast.

Die Anwendungsmöglichkeiten des Tertiärelements sind unglaublich vielversprechend. Solange man die Möglichkeit hat der Zelle wieder neuen Brennstoff zuzuführen, kann sie jegliche Anwendungsbereiche abdecken. Dazu zählen:

• Stationäre Anwendungen
  • Wie Generatoren in Gebäude
• Mobile Anwendungen
  • Im Straßenverkehr
  • In der Luft- und Raumfahrt
  • Im Schienenverkehr.

Hinzu kommt, dass bereits jetzt an unterschiedlichsten Typen der Tertiärzelle geforscht wird, die sich in Brennstoff, Aufbau, Leistung/Wirkungsgrad und Haltbarkeit unterscheiden. Schauen wir beispielsweise auf den Brennstoff der Tertiärelemente, so können wir bereits jetzt zwischen Wasserstoff, Methan und Methanol wählen, die ihre Vor- und Nachteile mitbringen. So werden die Aspekte der Brennstoffzellen, immer genauer untersucht und weiter verbessert.

Der Wirkungsgrad der Tertiärelemente ist beispielsweise abhängig von der Temperatur, bei der sie laufen. Niedrigtemperatursysteme arbeiten bei ca. 80 - 150°C und können einen Wirkungsgrad von ungefähr 50% erreichen. Hochtemperatursysteme hingegen sind zwar meist auch teurer, jedoch können sie durch ihre extrem hohen Temperaturen bereits jetzt einen Wirkungsgrad von bis zu 60% vorweisen.

Tertiärelement im Vergleich zum Verbrenner

Ein häufiges Thema in der Diskussion um die Energie- und Verkehrswende ist der Ersatz des Verbrennungsmotors durch umweltfreundliche Alternativen.

Eine dieser Alternativen ist das gerade besprochene Tertiärelement oder im allgemeinen Sprachgebrauch die Brennstoffzelle. Das bekannteste Beispiel ist wohl das "Wasserstoffauto", was momentan noch keine endgültige Alternative darstellt, aber vielversprechend ist. Dazu hier mal ein kleiner Vergleich zwischen Verbrennungsmotor und Brennstoffzelle. (Bedenke aber, dass in einer richtigen Diskussion noch viel Aspekte betrachtet werden müssen)

Aber Achtung!

Auch wenn mit der Brennstoffzelle in Form eines Wasserstoffautos eine interessante und vielversprechende Alternative aufgezeigt wurde, bedenke, dass wir immer noch vor großen Herausforderungen stehen. Zwar wäre der Wasserstoff als flüssiger Brennstoff leicht in das aktuelle Tankstellennetz einzupflegen, aber allein der Transport und die Lagerung des Wasserstoffs sind noch so ineffizient, dass der Wirkungsgrad am Ende wieder fast auf dem Niveau des Verbrennungsmotors liegt. Zudem muss die Herstellung des Brennstoffs wie auch des Autos selbst in die Betrachtung mit eingebracht werden. Außerdem wird zwar kein CO₂ emittiert aber es gibt bereits Hinweise darauf, dass der entstehende Wasserdampf ebenfalls eine Auswirkung auf den Treibhausgaseffekt haben kann.

Mit dieser Grundlage zum Thema der Tertiärzelle und ihrer praktischen Anwendung kannst du dich jetzt auf weitere interessante Themen stürzen, wie Wasserstoffflugzeuge, Wasserstoffstrategien oder Wasserstoff als Energieträger.