April 2013
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Strom von Brennstoffzellen – effektiv und sauber
Die Energiewende und die Abkehr von Atomenergie und fossilen Energieträgern verlangt nach anderen Techniken zur Erzeugung und Speicherung von elektrischer Energie.
In aller Munde sind in diesem Zusammenhang Brennstoffzellen, die aus Wasserstoff und Sauerstoff (oder Luft) höchst effizient elektrische Energie produzieren und als einziges Abfallprodukt Wasser abgeben.
Energie aus Wasserstoff
Dass in der Reaktion
H2 + O2 → H2O,
der Knallgasreaktion, jede Menge Energie steckt, wird mit jedem Knall deutlich.
Die Idee, diese Energie als elektrische Energie abzuführen, ist schon fast 200 Jahre alt. 1838 wurde die erste Brennstoffzelle vom Physikochemiker Friedrich Schönbein gebaut. Schon er verwendete Platin als Katalysator, welches auch in heutigen Brennstoffzellen zu finden ist.
Will man wie bei anderen galvanischen Elementen die elektrische Energie entnehmen, so müssen die zwei Halbreaktionen durch eine Membran getrennt werden. Diese dient in modernen Brennstoffzellen auch als Elektrolyt. Bei PEM-Brennstoffzellen besteht diese aus dem protonenleitenden Material Nafion, das winzige Poren bildet, durch die im feuchten Zustand Protonen wandern können (PEM = proton exchange membrane, Protonenleitende Membran). In der Brennstoffzelle wird an die Anode (-) Wasserstoff und an die Kathode (+) Sauerstoff geleitet.
Die Leistung einer Brennstoffzelle
- Funktionsweise einer Brenstoffzelle
Die Reaktion mit den Halbreaktionen
H2 → 2 H+ + 2 e-
O2 + 4 H+ → 2 H2O
hat laut elektrochemischer Spannungsreihe ein Normalpotenzial von 1,23 V. Moderne Brennstoffzellen liefern selten mehr als 1 V, was an Verlusten durch elektrische Widerstände etc. liegt. Brennstoffzellen mit größerer Fläche liefern alleine eine höhere Stromstärke und damit mehr Leistung. Will man höhere Spannungen erzielen, so muss man mehrere Brennstoffzellen in Reihe schalten. Dies können wir mit dem Brennstoffzellen-Stack, der aus vier kleinen PEM-Brennstoffzellen besteht, einfach untersuchen.
Woher kommt der Wasserstoff?
- Der HydroFill PRO liefert Wasserstoff durch Elektrolyse aus destilliertem Wasser. Der Wasserstoff wird direkt im HydroStik PRO gespeichert.
Anders aber als Batterien oder Akkus können Brennstoffzellen chemische Energie nicht speichern, sondern nur umwandeln, weil beide Edukte gasförmig sind. Die Versorgung mit Sauerstoff in der Luft ist selten das Problem. Der Energieträger Wasserstoff dagegen muss aus einem Speicher zur Verfügung gestellt werden. Neben einem Gastank werden hier auch in der Automobilindustrie Metallhydrid-Speicher verwendet. In diesen, z.B. im HydroStik PRO, wird Wasserstoff unter Druck an eine Titanlegierung absorbiert. Wird der Druck verringert, so wird der Wasserstoff wieder freigesetzt.
Für Unterrichtssituationen sind Wasserstoff-Gasflaschen oft unhandlich und haben ein erhöhtes Gefahrenpotenzial. Wasserstoff auf anderem Wege zu bekommen, ist hier eine echte Erleichterung. Im Elektrolyseur HydroFill PRO wird Wasserstoff direkt aus Wasser und Strom (aus der Steckdose) hergestellt. Dieser wird im Metallhydridspeicher gespeichert. Für Experimente mit Brennstoffzellen – aber auch für andere Experimente mit Wasserstoff – kann er nach Bedarf entnommen werden.
Auf YouTube finden Sie ein Video, dass Ihnen zeigt, wie einfach diese Wasserstoffgewinnung ist.
Untersuchung eines Brennstoffzellen-Stacks
Kennlinien charakterisieren eine Brennstoffzelle. Dafür nehmen wir die erzeugte Spannung in Abhängigkeit von der Stromstärke auf. Mit wenig Vorbereitung kann man dies mit dem Demonstrationsaufbau zur Brennstoffzellen-Technologie durchführen. Dieser besteht aus der Wasserstoffquelle HydroStik PRO, CPS dem Blasenzähler, dem Brennstoffzellen-Stack und dem Modul elektrische Verbraucher.
Um den Wasserstoff aus dem HydroStik PRO zu befeuchten und die eingeleitete Gasmenge zu verfolgen, bauen wir den Blasenzähler ein. Sonst würde die Membran austrocknen und damit ihre Protonenleitfähigkeit verlieren. Das bei der Reaktion entstehende Wasser reicht dafür nicht aus. Aus einem Liter Wasserstoff entstehen nämlich nur 0,75 ml Wasser.
Mit einstellbaren Widerständen stellen wir nun verschiedene Stromstärken ein und lesen die zugehörigen Spannungen mit Sensor CASSY 2 und CASSY Lab 2 ab. In den Widerständen wird die elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt.
Bei der Parallelschaltung messen wir im Leerlauf (kein Strom) kleinere Spannungen als bei der Reihenschaltung. Dafür erreichen wir mit einer Parallelschaltung höhere Ströme. In beiden Fällen fällt dieSpannung bei kleinen Strömen stark ab, bevor sie in einen Bereich kommt, in dem ein langsamerer Abfall zu messen ist.
Aus den Werten der Spannungskennlinien können wir die Leistung der Brennstoffzelle bei jeder Stromstärke berechnen. Das Maximum der Leistung liegt dabei nicht bei der höchsten Stromstärke. Wegen des erhöhten Innenwiderstands fällt sie bei hohen Strömen ab.
Wir drehen den Wasserstoffspeicher ab, um die Menge an Wasserstoff einzuschätzen, die verbraucht wird. Der Motor hört erst nach fast einer Stunde auf zu drehen. Die Lampe erlischt schon nach ca. 4 Minuten.
Die hier vorgestellten Versuche können als Demonstrations-Versuche in der Schule gezeigt werden. Das System ist so gebaut, dass es auch im Projektunterricht eingesetzt und dann von Schülern selbst bedient werden kann.
Weitere Informationen zu den neuen LEYBOLD-Systemen finden Sie hier.
