Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

Wasserelektrolyse ist die Auftrennung (Spaltung) von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mithilfe von elektrischem Strom. Relativ bekannt dürfte der Versuch zur Elektrolyse aus dem schulischen Chemieunterricht sein.

Farbenlehre

Wird der Elektrolysestrom aus fossilen Quellen gewonnen, muss man den Wasserstoff natürlich als grau (ohne CCS) oder blau (mit CCS) bezeichnen. Stammt der Strom aus Kernenergie, spricht man von rotem oder violettem Wasserstoff.

Die Elektrolyse spielt bei der H₂-Erzeugung bisher nur eine untergeordnete Rolle, abgesehen von der Tatsache, dass auch bei der großindustriell eingesetzten Chlor-Alkali-Elektrolyse nennenswerte Mengen Wasserstoff als Nebenprodukt entstehen. Zukünftig könnte allerdings die Wasserelektrolyse eines der wichtigsten Verfahren für die Wasserstoffherstellung werden. Das Verfahren ist im Grunde simpel und wurde bereits um 1800 beschrieben.

Man benötigt dafür etwas Wasser und eine Gleichstromquelle. Deren beide Elektroden (also die negative Kathode und die positive Anode) werden mit etwas Abstand im Wasser positioniert. Da reines Wasser keine freien Ladungsträger (= Ionen = geladene Teilchen) besitzt, kann es den Strom nicht leiten. Daher ist die Zugabe einiger Tropfen Säure oder Lauge notwendig. Säuren bilden in wässrigen Lösungen H₃O⁺-Ionen (positiv geladen), Laugen geben OH^–-Ionen (negativ) ab. Indem sich diese Ladungsträger bewegen beziehungsweise mit den Wassermolekülen, die sich ebenfalls bewegen, reagieren, wird das Wasser zum Elektrolyten, also zu einem Stromleiter. Dadurch wird an den beiden Elektroden die eigentliche Aufspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff ermöglicht. Für diese Reaktion ist zusätzlich noch ein sogenannter Katalysator notwendig.

Ein Katalysator ist ein Stoff, der eine chemische Reaktion erleichtert oder beschleunigt, aber selbst nicht verändert oder verbraucht wird. Dennoch ist er oft ein wesentlicher Kostenfaktor, denn viele Katalysatoren sind seltene oder edle Metalle (z. B. Platin).

Wird nun eine Spannung angelegt (1,5 V genügen), entsteht an der positiven Anode Sauerstoff und an der negativen Kathode Wasserstoff.

Dementsprechend funktioniert ein einfacher Elektrolyseur folgendermaßen:

Kathodenraum:

2 H₃O⁺ + 2 e⁻ → H₂ + 2 H₂O      für saure Lösungen

oder

2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ + 2 OH⁻       für basische Lösungen

Anodenraum:

6 H₂O → O₂ + 4 H₃O⁺ + 4 e⁻      für saure Lösungen

oder

4 OH⁻ → O₂ + 2 H₂O + 4 e⁻       für basische Lösungen

Beim Übertritt der Elektronen von der Kathode in den Elektrolyten läuft die folgende chemische Reaktion ab, bei der Wasserstoff entsteht:

2 H₂O + 2 e^–  → H₂ + 2 OH^–

Entsprechend lösen die Elektronen, die an der Anode abfließen, folgende Reaktion aus, so dass Sauerstoff entsteht:

2 OH^– →  ½ O₂ + H₂O + 2 e^–

In der im Schulunterricht vorgeführten Elektrolyse machen sich die Gase Wasserstoff und Sauerstoff durch feine Bläschen bemerkbar. Will man sie nutzen, muss man ihre erneute Reaktion verhindern, indem man sie mit einer teildurchlässigen Wand (bei der alkalischen Elektrolyse heißt diese Diaphragma) abtrennt. Diese kann zum Beispiel aus porösem Asbest bestehen. Zwei Gasabscheider sondern an den Elektroden die jeweils entstandenen Gase von der Flüssigkeit ab.

 Abb. 14: Schema eines alkalischen Elektrolyseurs
Elektrolyseur.jpg
auch 2. Auflage, Abb. 8

Der energetische Wirkungsgrad moderner Elektrolyseure liegt bei 70 bis 80 Prozent. Um Wasserstoff mit einem Energieäquivalent von einer Kilowattstunde zu erzeugen, werden knapp 300 Milliliter Wasser gebraucht.