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Elektrolyseur

Da wir uns in der vorherigen Stunde mit der Wasserzersetzung beschäftigt hatten, folgten heute der Wirkungsgrad und die Strom-Spannungs-Kennlinie der zwei Elektrolyseure die wir in der Schule haben.

Hierfür benötigen wir neben den Elektrolyseuren noch Gasspeicher, zwei Multimeter, ein Labornetzteil und entsprechende Kabel.

Der Elektrolyseur wird direkt an die regelbare Spannungsquelle angeschlossen. Diese sollte zum Beginn der Messung auf 0 V eingestellt sein und bis maximal 2 V hochgeregelt werden.

Unter Berücksichtigung der jeweiligen Betriebsanleitungen und Sicherheitshinweise nahmen wir die Geräte in Betrieb. Nun stellten wie die Spannung in 0,1 V Schritten kontinuierlich von 0 V bis 2 V höher und notierten neben der jeweiligen Spannung die zugehörige Stromstärke in einer Tabelle. Dabei mussten wir zwischen den einzelnen Spannungsschritten immer warten bis sich die Werte stabilisiert hatten. Außerdem sollte die Spannung in der Tabelle markiert werden, bei der die Gasproduktion einsetzte.

 

Elektrolyseur Tab1

In einem Diagramm werden nun die Stromstärke und die Spannung gegeneinander aufgetragen.

Elektrolyseur Dia1

Wie zu sehen ist beginnt erst bei einer bestimmten Spannung der Stromfluss im Elektrolyseur. Bei einem deutlich messbaren Strom von knapp über 1,5 V konnten wir zudem beobachten das die Zersetzung des Wassers begann. Vergleicht man diesen Wert mit der theoretischen Zersetzungsspannung von 1,23 V für Wasser, so kann man die Differenz aufgrund von Verlusten im Elektrolyseur erklären. Diese Verluste hängen unter anderem ab von der Art und Beschaffenheit des Elektrodenmaterials, dem Elektrolyten und der Temperatur. Wie zu sehen ist verhielten sich beide Elektrolyseure relativ gleich.

 

 

Nachdem wir die Strom-Spannungs-Kennlinie für die Elektrolyseure aufgenommen hatten, beschäftigten wir uns als nächstes mit dem Wirkungsgrad derselbigen. Hierfür kann der gleiche Versuchsaufbau verwendet werden, wie bei der Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie. Diesmal wird allerdings ein fester Spannungswert von ca. 1,9 V eingestellt. Nachdem das System mehrere Minuten Gas produziert hat wird die Stromversorgung zum Elektrolyseur unterbrochen und die Gasspeicher entleert.

Wenn der Elektrolyseur wieder mit der Spannungsquelle verbunden wird, kann gleichzeitig eine Stoppuhr gestartet werden. Es wird nun bei gut ablesbaren Gasmengen jeweils die Zeit, die Spannung und die Stromstärke notiert. In der folgenden Tabelle sind die Messwerte für beide Elektrolyseure zusammengefasst:

Elektrolyseur Wirkungsgrad Tab1

Wie zu sehen ist wurde jeweils eine dreifach Messung durchgeführt um möglichst exakte Werte zu erhalten. Dabei wurde darauf geachtet, dass immer dieselbe Person die Werte am Gasspeicher abgelesen hat um den „menschlichen Fehler“ konstant zu halten. Das produzierte Gasvolumen wurde nun gegen die Zeit in einem Diagramm aufgetragen:

Elektrolyseur Wirkungsgrad Dia1

Wie zu sehen ist besteht bei beiden Elektrolyseuren ein linearer Zusammenhang zwischen der Zeit und dem produzierten Wasserstoffvolumen.

Für die Berechnung des energetischen Wirkungsgrades werden nun die erzeugte Menge Wasserstoff, der Brennwert des Wasserstoffs, die Produktionszeit, sowie die zugehörige Spannung und Stromstärke benötigt.

Es ergibt sich bei Anwendung der zugehörigen Formel ein energetischer Wirkungsgrad von 83% für Elektrolyseur 1 und 26% für Elektrolyseur 2. Es scheint als wäre der zweite Elektrolyseur in der Vergangenheit mal falsch bedient worden oder er besitzt einen anderweitigen Defekt der zu diesem verhältnismäßig schlechten Wirkungsgrad führt (z.B. eine Leckage die zu Wasserstoffverlusten im System führt). Der energetische Wirkungsgrad gibt an wie viel elektrische Energie in Form von Wasserstoff gespeichert wird.

Ebenfalls berechnet haben wir den faradayschen Wirkungsgrad, welcher eine Aussage darüber trifft wie groß die Abweichung zwischen theoretisch und tatsächlich erzeugter Gasmenge ist. Elektrolyseur 1 hatte hierbei einen Wirkungsgrad von 99% während der Elektrolyseur 2 mit 31% wieder einen erheblich geringen Wert zeigte. Die Abweichung vom idealen Gasvolumen kann in der Regel durch Diffusionsverluste innerhalb des Systems erklärt werden.

 

 

Quelle:

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

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