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Die PEM-Brennstoffzelle

Am heutigen Tag können wir endlich die Brennstoffzelle selbst in Betrieb nehmen. Frau Zimmermann hat selbige bereits vorher auseinandergebaut um die Membran zu wässern. Wir bauen also zunächst die Zelle zusammen und fügen sie anschließend in die Schaltung ein.

Für die heutigen Versuche brauchen wir neben der Brennstoffzelle noch eine Spannungsquelle, zwei Multimeter, einen Elektrolyseur mit Gasspeichern, die Widerstandsdekade und natürlich viele Kabel und Schläuche um alles miteinander zu verbinden.

Nachdem wir die Geräte nach der Arbeitsanweisung und unter Beachtung der jeweiligen Sicherheitshinweise in Betrieb genommen hatten ging es los.

Unser Team schloss den Elektrolyseur an die Stromquelle an um Wasserstoff und Sauerstoff zu produzieren. Anschließend haben wir die Ausgangsanschlüsse des Elektrolyseurs mit den Eingangsanschlüssen der Brennstoffzelle verbunden. Die Ausgänge der Brennstoffzelle blieben zunächst verschlossen. Nachdem wir ca. 5 cm3 Wasserstoffgas produziert hatten öffneten wir kurz die Ausgänge der Brennstoffzelle um diese mit dem Gas durchzuspülen. Dies dient dazu alle Restgase zu entfernen, da diese die Messungen sonst verfälschen könnten (Leistung der Brennstoffzelle wird beeinträchtigt). Damit die Brennstoffzelle vor der Messung nicht schon Wasser und somit auch Strom produziert, muss sie im Leerlauf (offene Klemmen, kein Stromfluss) geschaltet sein.

Nun begannen wir mit der Aufnahme von der Strom-Spannungs-Kennlinie mit der Leerlaufspannung (Widerstand = unendlich). Dann schalteten wir die Widerstandsdekade von den großen zu den kleinen Widerständen durch und notierten die jeweiligen Werte für die Spannung und die Stromstärke. Dabei mussten wir zwischen den einzelnen Messungen 20 Sekunden warten um repräsentative Werte zu erhalten.

Die Messwerte können der folgenden Tabelle entnommen werden:

Brenstoffzelle Tab1

Zunächst wird die Stromstärke gegen die Spannung aufgetragen:

Brenstoffzelle Dia1

Im nächsten Schritt wird dann der Zusammenhang zwischen Stromstärke und Leistung graphisch dargestellt:

Brenstoffzelle Dia2

Aus diesem zweiten Diagramm kann abgelesen werden wann die Brennstoffzelle die größte Leistung abgibt. Dies ist in unserem Fall bei 0,784 A, was einem Lastwiderstand von 0,33 Ohm entspricht.

 

 

Im letzten Versuch für heute sollen noch die benötigten Messwerte zur Berechnung des energetischen und faradayschen Wirkungsgrads der Brennstoffzelle ermittelt werden. Hierfür wird zunächst mit dem Elektrolyseur die maximal mögliche Menge an Wasserstoff produziert. Anschließend wird die Stromversorgung des Elektrolyseurs unterbrochen und die Verbindung zur Brennstoffzelle hergestellt, indem der Widerstand eingesetzt wird bei dem der Wirkungsgrad ermittelt werden soll. Gleichzeitig wird die Zeitmessung gestartet. Es werden nun bei unverändertem Widerstand die Werte für Zeit, Stromstärke und Spannung nach konstanten Volumenschritten notiert. In der folgenden Tabelle sind die Messwerte zusammengefasst:

Brenstoffzelle Wirkungsgrad Tab1

Für die Berechnung des energetischen Wirkungsgrads wird zunächst das verbrauchte Gasvolumen in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen:

Brenstoffzelle Wirkungsgrad Dia1

Wie zu sehen ist besteht ein proportionaler Zusammenhang zwischen der Zeit und dem verbrauchten Gasvolumen. Berechnet man nun den energetischen Wirkungsgrad so erhält man einen Wert von 18%. Der energetische Wirkungsgrad gibt an wie viel der in Wasserstoff gespeicherten Energie wieder als elektrische zurückgewonnen werden kann. Ein Teil der Energie wird allerdings auch in Form von Wärme abgegeben, welche in diesem Fall nicht genutzt wird und daher als Verlustenergie bezeichnet werden muss.

Um den optimalen Wirkungsgrad zu ermitteln müssen wir den Versuch in Zukunft noch mit mehreren Lastwiderständen durchführen.

Die Berechnung des faradayschen Wirkungsgrads vergleicht die tatsächlich verbrauchte Gasmenge mit der errechneten Gasmenge. Für unsere Brennstoffzelle ergab sich hier ein Wert von 32%.

Die Abweichungen gegenüber den zu erwartenden Werten von ca. 80% für den energetischen und 90% für den faradayschen Wirkungsgrad kann zum einen durch eine nicht ausreichende Wässerung der Membran erklärt werden. Auch dies werden wir in Kombination mit der Veränderung des Lastwiderstandes bei Gelegenheit testen müssen.

 

Quelle:
Cornelia Voigt, Stefan Höller, Uwe Küter: Brennstoffzellen im Unterricht – Grundlagen, Experimente, Arbeitsblätter; H2ydrogeit Verlag (2013); 3. Auflage

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