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4.1. Arten der Brennstoffzelle

Heutzutage kann man nicht mehr einfach nur von "der Brennstoffzelle" (engl. fuell cell) sprechen, da verschiedene Arten auf dem Markt vorhanden sind. Die zwei bekanntesten sind die Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) und die Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEM-FC). Diese zwei werden in die Kategorien Hochtemperatur- und Niedrigtemperaturbrennstoffzellen eingeordnet.
Die SOFC gehört zu den Hochtemperaturbrennstoffzellen, da sie bei Temperaturen von ca. 1000°C in Betrieb genommen werden kann. Erst dann ist der Feststoffelektrolyt in der Lage, Sauerstoffionen zu transportieren. Der Vorteil dieser Brennstoffzelle ist, dass sie auch mit Erdgas betrieben werden kann. Die von uns auch in der Schule verwendete PEM-FC hingegen arbeitet bei 80- 100°C, kann aber auch bei Raumtemperatur betrieben werden und gehört so zu den Niedrigtemperaturbrennstoffzellen.

4.2. Prinzipieller Aufbau und Funktionsweise

Die PEM- FC besteht aus zwei gasdurchlässigen Elektroden, die mit Materialien beschichtet sind, welche als Katalysatoren dienen und somit die Aktivierungsschwelle der Reaktion herabsetzen. Diese Elektroden werden durch eine protonendurchlässige Polymermembran voneinander getrennt. Diese Membran hat etwa die Dicke einer Overhead- Folie.
Von einer Seite wird Wasserstoff an die Anode geführt und oxidiert dort, während von der anderen Sauerstoff an die Kathode geführt wird, um hier eine Reduktion stattfinden zu lassen (kalte Verbrennung). Auf der Wasserstoffseite wird jedes Wasserstoffmolekül in zwei Elektronen und zwei Protonen "gespalten". Dann "wandern" die Protonen durch die Membran auf die Sauerstoffseite, wohin die Elektronen durch den Stromkreis fließen, da dort Elektronenmangel herrscht. Hier verbinden sich Protonen, Elektronen und Sauerstoff wieder zu Wasser, welches als einziges Abfallprodukt ausgeschieden wird.

Bildlich sieht dieser Vorgang folgendermaßen (aus www.energieinfo.de):

Eine anschauliche Brennstoffzellen-Animation haben wir auf den Technik-Seiten von Daimler-Chrysler gefunden.

Bei dem oben in Wort und Bild beschriebenen Ablauf finden also folgende chemische Reaktionen statt:

Anode:  2H2 -> 4H+ + 4e-

Kathode:  4e- + 4H+ + O2 -> 2H2O

Gesamtreaktion:  2H2 + O2 -> 2H2O

Hierin erkennt das geschulte Auge natürlich sofort die klassische Reaktionsgleichung, die zur allgemein bekannten Knallgasreaktion gehört.
Hier beschreibt diese Gleichung einen weniger spektakulären Ablauf, nämlich die "kalte Verbrennung".


4.3. Das benutzte Experimentiergerät - der "Wasserstoff-Koffer"

Für unsere Experimente benutzten wir den "Wasserstoff-Koffer", den uns unser Kooperations-Partner und Energieversorger für Experimentierzwecke zur Verfügung stellte.

Dieser Koffer enthält - wie alle heute üblichen Experimentier-Sets zum Thema

  • ein Netzgerät und als Alternative dazu eine kleine Solaranlage (also einige Solarzellen). Diese Anlage liefert den elektrischen Strom, bei entsprechender Beleuchtung ausreichend für

  • einen Elektrolyseur, der zunächst Wasser (H2O) durch Elektrolyse in seine gasförmigen Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zerlegt - im Elektrolyseur findet also unter Energiezufuhr genau die Umkehrung der oben erklärten Brennstoffzellen-Reaktion statt - , außerdem

  • Vorratsgefäße als Zwischenspeicher zur Aufnahme der beiden Gase und letzendlich

  • die Brennstoffzelle selbst.

  • Das Experimentier-Set ´Wasserstoff-Koffer´

    Das Foto zeigt die oben aufgeführten Bauteile ohne die Solarzellen von links nach rechts und soll einen Eindruck vom aufgebauten Experimentier-Set vermitteln.


4.4. Kennlinie einer PEM-Brennstoffzelle

Die eigentliche Ermittlung der Belastungskennlinie der PEM-Brennstoffzelle gestaltet sich genauso wie zuvor bei einem Al/Luft-Element, d. h. die Brennstoffzelle wird in einen Stromkreis eingebunden und mit verschiedenen Widerständen belastet, welche mögliche Verbraucher simulieren. Anschließend wird die gemessene Klemmspannung gegen die Stromstärke aufgetragen. Es ergab sich folgende Kennlinie8):

Kennlinie der PEM-Brennstoffzelle

Der Verlauf der Spannungskennlinie der PEM-Brennstoffzelle erscheint zunächst dem des Al/Luft-Elements sehr ähnlich: Sie beschreibt eine erst steil, dann flach abfallende Kurve. Auffällig ist die höhere Ruhespannung von 950 mV. Betrachtet man jedoch die dazugehörigen Stromstärken, so stellt man fest, dass die Spannung im Intervall von 0 bis 100 mA mit 190 mV Differenz weniger stark abfällt, als bei der Al/Luft-Konfiguration mit 443 mV Differenz. Somit zeigt sich die PEM-Brennstoffzelle belastbarer als das Al/Luft-Element mit den von mir gewählten Parametern.

Auch der Verlauf der Leistungskurve spricht für die PEM-Brennstoffzelle: Sie hat ihr Maximum bei einer Stromstärke von 250 mA noch nicht erreicht, d.h. es ist vorteilhaft sie bei einem möglichst hohen Strom und somit hoher Leistung zu betreiben. Dabei ist hier, wie auch beim Luftelement zu beachten, dass der Wirkungsgrad mit einer hohen Stromstärke abnimmt und Wasserstoff bzw. Aluminium verloren geht. Man sollte aus diesem Grund bestrebt sein einen optimalen Arbeitspunkt für bestimmte Verbraucher zu finden, bei dem sowohl der Wirkungsgrad als auch die Leistung hoch ist.

Auch die Untersuchung der Eigenschaften der Brennstoffzelle hat damit an unserer Schule erst in kleinen Schritten begonnen. Nachdem uns nun regelmäßig Experimentiermöglichkeiten zur Verfügung stehen werden, wollen wir in zukünftigen Projekt- und Facharbeiten unterschiedliche Aspekte untersuchen.


8) Vgl. auch: Kennlinie der Brennstoffzelle, heliocentris Energiesysteme GmbH


 

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Erstellt am 01.06.2001; zuletzt geändert am 12.09.2004 . (Ka)