Versuch BZ: Die Brennstoffzelle im Laborversuch - Institut für ...

Versuch BZ: Die Brennstoffzelle im Laborversuch
1. Einleitung
Der Anstieg des CO2-Gehalts in der Atmosphäre über die letzten 100 Jahre ist hauptsächlich
auf anthropogene Einflüsse zurückzuführen. Eine verstärkte Förderung und Verbrennung
fossiler Energieträger sowie die Rodung von Regenwäldern, die maßgeblich für die
Reduzierung von Kohlendioxid verantwortlich sind, haben zu einem Anstieg des CO2-
Gehaltes von 280 ppm im Jahr 1860 auf 340 ppm im Jahr 1980 geführt. Neben CO2 tragen
auch Gase wie Methan, Distickstoffoxid, verschiedene Fluorchlorkohlenwasserstoffe
(FCKWs) sowie Wasserdampf zum Treibhauseffekt bei: durch Sonneneinstrahlung wird die
Erde erwärmt, ein Teil dieser Wärme wird nachts durch Strahlungsaustausch in den
Weltraum abgegeben. Die bereits erwähnten Treibhausgase behindern jedoch diesen
Vorgang, so dass Klimaforscher eine allmähliche Erwärmung der Erdatmosphäre mit teils
fatalen Folgen für das Leben auf der Erde befürchten.
Eine Möglichkeit zur Reduzierung des Treibhausgases CO2 besteht in einer besseren
Energieausnutzung von Kraftwerken durch Verbesserung des durchschnittlichen
Wirkungsgrades. Weiter wird der Einstieg in die Wasserstoffwirtschaft diskutiert. Wasserstoff
als Energieträger kann gespeichert werden und steht damit in Spitzenlastzeiten für die
Energiegewinnung zur Verfügung. Natürlich besteht hier das Problem, den Wasserstoff
möglichst CO2-neutral zu erzeugen, ein Umstand, der die Forschung auf den Gebieten
Photovoltaik und Elektrolysetechnologie maßgeblich bestimmt.
Als Energiewandler besitzt die Brennstoffzelle einen entscheidenden Vorteil: sie benötigt
Wasserstoff, kann aber z. B. auch mit Erdgas (nach Reformierung) betrieben werden. Es
besteht also prinzipiell die Möglichkeit, Brennstoffzellensysteme auf Erdgasbasis zu
konstruieren und diese dann direkt mit Wasserstoff zu betreiben.
2. Theoretische Grundlagen
2.1 Brennstoffe für Brennstoffzellen
Bei der elektrochemischen Umsetzung in der Brennstoffzelle stellt Wasserstoff den
eigentlichen Brennstoff dar. Daher ist es erforderlich, jeden anderen Brennstoff so
umzuwandeln, dass ein Brenngas mit möglichst hohem Wasserstoffgehalt entsteht. Als
Oxidationsmittel der elektrochemischen Reaktion fungiert Sauerstoff bzw. Luft
(Sauerstoffanteil 21 %).
Wasserstoff als Brennstoff
Reiner Wasserstoff liegt in der Erdatmosphäre nur in sehr geringer Konzentration vor,
jedoch ist Wasserstoff Bestandteil einer Vielzahl chemischer Verbindungen. Ziel muss es
daher sein, den chemisch gebundenen Wasserstoff in molekularen Wasserstoff H2 zu
überführen.
Eine Möglichkeit stellt die Wasserelektrolyse dar, bei der Wasser mittels elektrischer Energie
gemäß der Reaktionsgleichung
2 HO ⎯⎯→ 2 H + O
2 2 2
in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt wird. Dabei werden 4 Elektronen
umgesetzt.
49

Erdgas als Brennstoff
Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan (CH4), das aufgrund seines hohen Wasserstoffgehaltes
besonders für die Wasserstoffgewinnung geeignet ist. Die Umwandlung von
Erdgas in ein wasserstoffreiches Brenngas geschieht in zwei Teilschritten:
a) Dampfreformierung
Das im Erdgas enthaltene Methan reagiert mit Wasser zu einem wasserstoffreichen
Synthesegas aus H2 und CO:
CH + H O ⎯⎯→ CO + 3 H
4 2 2
Der Vorgang ist bei 650°C endotherm. Um eine Vergiftung des Katalysators zu
verhindern, muss der Schwefelgehalt im Erdgas reduziert werden.
b) Shift-Reaktion
In einem Reaktor mit Edelmetallkatalysator wird ein Großteil des CO mit H2O zu H2
und CO2 umgesetzt:
CO + H2O⎯⎯→ CO2 + H2
Im Gegensatz zur Dampfreformierung läuft diese Reaktion exotherm ab, die
freiwerdende Wärme wird der Dampfreformierung zugeführt.
Methanol als Brennstoff
Mobile Anwendungen der Brennstoffzellentechnik stellen spezielle Anforderungen an die
Brennstoffe. So ist beim Automobil die flüssige Betankung unter Atmosphärendruck
wesentlich einfacher zu realisieren als beispielsweise unter hohem Druck und bei tiefen
Temperaturen. Zudem existiert mit den vorhandenen Tankstellen bereits eine
flächendeckende Infrastruktur für flüssige Kraftstoffe, die auch zur Verteilung von Methanol
genutzt werden könnte.
Methanol (CH3OH) reagiert mit Wasser bei relativ niedrigen Temperaturen (200 – 300°C)
unter Verwendung geeigneter Katalysatoren zu H2 und CO2:
CH OH + H O ⎯⎯→ 3 H + CO
3 2 2 2
Auch die direkte Umsetzung von Methanol in der Niedertemperaturbrennstoffzelle ohne
Umweg über H2 ist im Prinzip bereits verwirklicht, jedoch stellt die Entwicklung eines
geeigneten Katalysators für die Oxidation von Methanol eine wissenschaftliche
Herausforderung dar.
2.2 Funktionsprinzip der elektrochemischen Energieumwandlung in einer
Brennstoffzelle
Das Prinzip der Brennstoffzelle basiert auf der direkten Umwandlung von chemischer in
elektrische Energie mittels einer elektrochemischen Reaktion.
Eine Brennstoffzelle besteht im allgemeinen aus zwei Elektroden (Anode und Kathode) mit
einem sich dazwischen befindenden Elektrolyten. Die Anode wird mit einem Brennstoff (hier
Wasserstoff), die Kathode mit dem Oxidanten/Oxidationsmittel (hier Luft bzw. der darin
enthaltene Sauerstoff) versorgt. Die Reaktionspartner selbst sind durch den Elektrolyten
getrennt. Wasserstoff wird an der Anode oxidiert (Elektronenabgabe), an der Kathode wird
der Oxidant reduziert (Elektronenaufnahme).
50

Die Reaktion an der Kathode tritt erst dann ein, wenn diese mit der Anode leitend verbunden
wird. Von der Anode zur Kathode fließt dann über den äußeren Leiter ein Elektronenstrom
(äußerer Strom), der Arbeit leisten kann. Der korrespondierende Ladungstransport in der
Brennstoffzelle erfolgt über den Ionenstrom (innerer Strom) im Elektrolyten (Bild 1). Der
Stoff- und damit auch der Energieumsatz lassen sich durch den Massenstrom der
Reaktanden und/oder die elektrische Belastung beeinflussen.
Bild 1: Funktionsprinzip der Brennstoffzelle
Wie bei der Batterie setzt sich auch bei der Brennstoffzelle der elektrochemische Prozess
aus zwei Teilreaktionen an den Elektroden zusammen. Bei der Brennstoffzelle werden die
Elektroden jedoch nicht umgewandelt, die Zelle kann also nicht entladen werden. Rein
formal handelt es sich bei dem Prozess um eine Verbrennung, jedoch läuft die Reaktion
katalysiert und kontrolliert ab. Man bezeichnet sie daher auch als „kalte Verbrennung“.
2.3 Thermodynamik der elektrochemischen Energiewandlung
Die bei einer Reaktion unter konstantem Druck p auftretende Energieänderung wird durch
die Reaktionsenthalpie Δ RH beschrieben:
Δ H = ΔU + pΔV = Q + W + pΔV (1)
R
Δ U : Änderung der inneren Energie des Systems.
Q, W: Die mit der Umgebung ausgetauschte Wärme bzw. Arbeit.
Ein Maß für die maximal gewinnbare Arbeit (unter Ausschluss der Volumenarbeit) einer
reversiblen, isobar-isotherm geführten chemischen Reaktion ist die freie Reaktionsenthalpie
Δ G = Δ H − TΔ S = W . (2)
R R R rev
Reaktionen, bei denen z.B. die Anzahl der Mole gasförmiger Reaktanden größer ist als die
der Produkte, besitzen eine negative Entropieänderung. Verlaufen solche Reaktionen
exotherm, so ist der Wert der freien Reaktionsenthalpie „weniger“ negativ als der Wert der
Reaktionsenthalpie. Ein Beispiel hierfür ist die Bildung von Wasser aus Wasserstoff und
Sauerstoff:
( ) + ( ) ⎯⎯→(
)
2 H g O g 2
H O fl
2 2 2
51

0
0
mit Δ RH =−285,
8 kJ mol und Δ RG =−273,
1 kJ mol unter Standardbedingungen.
Wird die Reaktion als „echte“ Verbrennung geführt, dann wird die Reaktionsenthalpie
vollständig in Wärme umgewandelt:
Δ H = Q.
(3)
R
Wird jedoch eine elektrochemische Reaktionsführung gewählt, so stellt W die Summe aus
Volumenarbeit (W Vol ) und elektrischer Arbeit (W el ) dar:
W = W el + W Vol = W el - pΔV. (4)
Dabei können n Mole ausgetauschte Elektronen je Mol Brennstoff theoretisch maximal die
elektrische Arbeit
mit
( ϕ , ϕ , ) ( ϕ , ϕ , )
W = n e N − = nF − ,
el A rev K rev A rev K rev A
NA =
23 −1
6,022⋅10 mol ( Avogadro −Zahl)
19
e = 1,602 ⋅10
C ( Elemtarladung)
N ⋅ e = F = C ⋅ mol Faraday −Konstante
A
verrichten. Der Term ( ϕrev, K ϕrev,
A )
−1
96485 ( )
− bedeutet die Differenz der elektrischen Potenziale von
Kathode und Anode bei reversibler Reaktionsführung. Für eine reversible und isotherme
Reaktionsführung ergibt sich damit
( , , )
Δ G = −nF ϕ − ϕ . (5)
R rev K rev A
Verwendet man die reversible elektrische Zellspannung Urev ( ϕrev, K ϕrev
, A )
52
= − , so ergibt sich
Δ RG = − n F Urev
. (6)
Damit ist gezeigt, dass die Brennstoffzelle theoretisch in der Lage ist, die Änderung der
freien Enthalpie einer chemischen Reaktion direkt in elektrische Energie umzuwandeln.
Liegen die Reaktanden und Produkte rein und in ihren Standardzuständen vor, so schreibt
man
Δ G = − n F U . (7)
0 0
R rev
0
U rev ist die reversible Standardpotenzialdifferenz der Zelle und beträgt für die Reaktion von
0
Wasserstoff mit Sauerstoff 1,23 V. U rev wird auch als theoretische Gleichgewichtsspannung
bezeichnet und ist temperatur- und druckabhängig. Um Missverständnissen vorzubeugen,
sei erwähnt, dass in der Literatur statt U oft ΔE 0 verwendet wird.
0
rev

Wirkungsgrad von Brennstoffzellen
Brennstoffzellen sind sehr effiziente Energiewandler. Dabei wird kontinuierlich chemische
Energie, die im Brennstoff Wasserstoff enthalten ist, mit Hilfe eines Oxidanten direkt in
elektrische Energie umgewandelt. Ein Umweg über die thermische bzw. mechanische
Energieform (wie im Fall der Wärmekraftmaschine) ist nicht notwendig (Bild 2). Daher gilt für
die Brennstoffzelle nicht der einschränkende Carnotsche Wirkungsgrad
rev TU η C = 1 − ( TU < T)
. (8)
T
Bild 2: Energiewandlungskette bei Wärmekraftmaschine und Brennstoffzelle
Der elektrische Wirkungsgrad η el einer Brennstoffzelle ist definiert als das Verhältnis von
erzeugter elektrischer Energie zu der bei der Verbrennung freigesetzten Reaktionswärme
Wel
η el = . (9)
ΔRH
Wie bereits angesprochen, kann die Brennstoffzelle bei reversibler Reaktionsführung die
freie Reaktionsenthalpie vollständig in elektrische Energie (Arbeit) umwandeln. Für den
theoretischen elektrischen Wirkungsgrad (Gibbsscher Wirkungsgrad) erhält man
η
Δ G Δ S
= = 1−T
Δ H Δ H
rev
el
R R
R R
53
. (10)
Da der Quotient aus Reaktionsentropie und Reaktionsenthalpie nur schwach temperaturabhängig
ist, ergibt sich für den Gibbsschen Wirkungsgrad der in Bild 3 dargestellte
lineare Zusammenhang mit der Temperatur. Zum Vergleich ist auch der Carnotsche
Wirkungsgrad dargestellt. Insbesondere im Bereich kleiner bis mittlerer Arbeitstemperaturen
ist die ideale Brennstoffzelle eindeutig effizienter als eine ideale Wärmekraftmaschine.

Bild 3: Vergleich der theoretischen Wirkungsgrade von Brennstoffzelle und
Carnot-Prozess
Da die Vorgänge in einer realen Brennstoffzelle nicht reversibel ablaufen, wird der
Gibbssche Wirkungsgrad in der Praxis natürlich nicht erreicht. Realistisch ist zur Zeit ein
elektrischer Wirkungsgrad η el von 40 − 65 %. Ein alternatives Maß für die Effizienz der
elektrochemischen Energiewandlung eines realen Brennstoffzellenprozesses ist der
elektrochemische Wirkungsgrad (Spannungswirkungsgrad)
− nF U U
ηU
= =
Δ G U
K K
R rev
54
. (11)
U K ist die real gemessene Klemmspannung. Sie ist immer kleiner als die theoretische
thermodynamische Gleichgewichtsspannung und von der Stromstärke bzw. der Stromdichte
(Stromstärke/Fläche der protonenleitenden Membran) abhängig. Die Differenz zwischen den
beiden Spannungen wird als Überspannung bezeichnet. Sie setzt sich wie folgt zusammen
(siehe auch Bild 5):
Durchtrittsüberspannung: Verluste infolge der katalytischen Vorgänge an den Elektroden
(bestimmend bei kleinen Strömen).
Diffusionsüberspannung: Verluste infolge der begrenzten Diffusionsfähigkeit der Gase in der
Elektrodenstruktur (bestimmend bei hohen Strömen)
Überspannung durch den Innenwiderstand: Ohmsche Verluste in Elektrolyt und
Stromleitungen.
Bezieht man den Spannungswirkungsgrad auf den eingesetzten Brennstoff, so ergibt sich
Δ G −nFU −nFU
η = η η = ⋅ =
* rev R K K
U el U
ΔRH ΔRG ΔRH
Wird für Δ RH = Hu
( Hu ≡ unterer Heizwert) über
nung bestimmt, so erhält man
R Hu
. (12)
Δ H = − nFU eine elektrische Span

U
* K η U = . (13)
UHu
Im Betrieb treten weiterhin Verluste durch unvollständige Brennstoffausnutzung auf, vor
allem infolge elektrochemischer Nebenreaktionen und Undichtigkeiten. Der Faraday- oder
Stromwirkungsgrad trägt dem Rechnung:
I
η I = . (14)
Ith
Er ist das Verhältnis aus dem gemessenen Strom I und dem mit Hilfe des 1. Faradayschen
Gesetzes anhand des zugeführten Brennstoffmassenstromes berechneten, theoretisch
möglichen Strom Ith.
Wird zusätzlich noch der Systemwirkungsgrad η Sys mit einbezogen, der den Energiebedarf
der verfahrenstechnischen Peripherie (Pumpen, Heizung, Kühlung, Kompression usw.)
berücksichtigt, so erhält man abschließend als Wirkungsgrad eines Brennstoffzellensystems
η = η η η η
14243
rev
el U I Sys
Energiewirkungs−
grad ηE
55
. (15)
Bild 4: Wirkungsgrad-Stromstärke-Charakteristik einer Einzelzelle und eines
Zellenstapels.
In der Praxis versucht man, eine Brennstoffzelle bei möglichst hohem Strom und damit
hoher elektrischer Leistung zu betreiben. Mit steigender Stromstärke nimmt aber der
elektrische Wirkungsgrad η el ab, der Anteil an thermischer Verlustleistung steigt (siehe Bild).
Die Wirkungsgrad-Stromstärke-Charakteristik entspricht bei der Einzelzelle weitgehend dem
Verlauf des Spannungswirkungsgrades. Faraday- und Systemwirkungsgrad liegen nahezu
bei 100 %. Bedingt durch geringe Leckagen beim Zellenstapel spielen elektrochemische
Nebenreaktionen eine größere Rolle, und der Faraday-Wirkungsgrad sinkt. Wegen des
deutlich höheren Eigenverbrauchs gegenüber einer Einzelzelle (Kühlung, Transport der
Reaktanden, Steuerung usw.) wirkt sich beim Zellenstapel bei kleinen Strömen zusätzlich
der Systemwirkungsgrad stark auf den Gesamtwirkungsgrad aus.

2.5 Elektrodenkinetik
Die Lastspannung (Spannung unter Stromfluss) ist bei Brennstoffzellen genau wie bei
Batterien immer niedriger als die Leerlaufspannung (theoretische Gleichgewichtsspannung).
Die Differenz dieser beiden Spannungen bezeichnet man als Polarisation oder
Überspannung. Diese Verluste hängen in galvanischen Zellen von der Stromdichte ab und
werden durch die Kinetik der Elektrodenreaktionen, das Design der Zelle sowie durch den
verwendeten Elektrolyten bestimmt (siehe auch Abschnitt 2.4).
Bild 5 zeigt den schematischen Verlauf einer Brennstoffzellen-Kennlinie. Der Zusammenhang
zwischen Zellspannung und Stromdichte wird wie folgt beschrieben:
mit
U = U + blog i
rev
0
U = U0−blog i − Ri
(16)
Urev thermodynamische Gleichgewichtsspannung
U0 Leerlaufspannung
U Zellspannung
R Innenwiderstand
i Stromdichte
i0 Austauschstromdichte
b Steigung
(Stromdichte i, Austauschstromdichte i0 und Steigung b sind Größen in der sogenannten
Tafel-Gleichung). Differenziert man nach der Stromdichte, so ergibt sich die Steigung der
Kennlinie zu
∂U
b
= − −R.
(17)
∂i
i
Bild 5: Schematischer Verlauf einer typischen Brennstoffzellen-
Kennlinie mit Kennzeichnung der Verluste. Links ist die
Zellspannung (Differenz der Elektrodenpotenziale an
Kathode und Anode), rechts sind die einzelnen
Elektrodenpotenziale an Kathode und Anode in Abhängigkeit
der Stromdichte dargestellt.
56

Der Verlauf der Zellspannung U in Abhängigkeit der Stromdichte i lässt sich folgendermaßen
interpretieren:
− Bei kleinen Stromdichten (bis etwa 50 mA/cm 2 ) bestimmen katalytische Vorgänge an
den Elektroden den elektrochemischen Prozess. Der Betrag des Differentials ∂U / ∂i
ist groß, und es gibt einen exponentiellen Zusammenhang zwischen Stromdichte und
Überspannung. Entscheidend ist hier die Durchtrittsüberspannung, während
Ohmsche Verluste sowie Diffusionsüberspannungen hier vernachlässigt werden
können.
− Nimmt die Stromdichte zu, so steigt die Diffusionsüberspannung nicht mehr weiter
an. Der Ohmsche Widerstand bestimmt den Verlauf der Zellspannung. Für mittlere
Stromdichten gilt der lineare Zusammenhang U~i. Der Widerstand muss vor allem
bei großen Brennstoffzellen sehr klein gehalten werden, da es sonst aufgrund der
hohen Ströme zu erheblichen Verlusten kommt. Die Verlustleistung muss durch die
Kühlung abgeführt werden.
− Bei weiterem Anstieg der Stromdichte wird ab einem bestimmten Wert der Stofftransport
der limitierende Faktor. Durch zu niedrige Raten der Versorgung mit
Reaktanden und/oder der Produktabfuhr kommt es zu einem steilen Abfall der
Zellspannung bis fast auf den Wert Null (Diffusionsbereich).
An der Anode ist die Austauschstromdichte so gering, dass konkurrierende Anodenreaktionen
(Oxidation des Platinkatalysators, Korrosion des Kohlenstoffs, Oxidation von
Verunreinigungen) eine signifikante Rolle spielen. Selbst bei Stromdichte Null existieren
noch Spannungsverluste. Die messbare Leerlaufspannung U0 (reale Gleichgewichtsspannung)
ist eine Mischspannung und liegt bei einer H2/O2-Zelle um 100 bis 200
mV unter Urev. Der maximal mögliche Wirkungsgrad einer realen Brennstoffzelle liegt bei
einer Stromdichte gegen Null zwischen 8 und 16 % unter dem theoretischen Wert von Urev.
Ziel der Brennstoffzellenentwicklung ist es daher, die Beiträge der einzelnen
Überspannungen durch
− wirksame Elektrokatalysatoren und höhere Prozesstemperaturen (Aktivierungsüberspannung)
− optimierte Elektrodenstrukturen und Gasführungen (Diffusionsüberspannungen) und
− Verringerung der Dicke der Elektrolytmembran (Innenwiderstand)
zu minimieren.
3. Experimenteller Teil
Aufgabenstellung und Zielsetzung
Die Aufgabe umfasst den Aufbau des Brennstoffzellenversuchs sowie die Durchführung und
Auswertung verschiedener Experimente. Ziel ist es, experimentelle und theoretische
Kenntnisse im Bereich der Elektrochemie und Brennstoffzellentechnik zu erlangen.
Komponenten und Versuchsaufbau
Für den Versuch benötigen Sie folgende Komponenten:
• Brennstoffzellenstack NP20, besteht aus vier in Reihe geschalteten Brennstoffzellen
• Widerstandslast RL20
• Wasserstoffflasche mit doppelstufigem Druckminderer und Gaszuleitung
• Durchflussmesser HC20 mit Spülventil (siehe Bild 8) und festem, für
Klemmringverschraubungen geeigneten Schlauch
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• Lüfterstromversorgung FP50
• Spannungs- und Strommessgerät, Spannungsversorgung (9-12 V) über 3,5 mm-
Klinkenbuchse
• Mehrere 4mm-Laborkabel mit Bananensteckern
Bauen Sie den Versuch gemäß Bild 8 auf.
Bild 8: Versuchsaufbau zur Aufnahme der Kennlinie des Brennstoffzellenstacks
NP20 (Spannungs-Strom-Kennlinie)
sowie zur Bestimmung seines Gesamtwirkungsgrades ηE.
Durchführung der Experimente
Anfahren der Anordnung
Für zuverlässige Messungen muss der Brennstoffzellenstack NP20 in einem leistungsbereiten
Zustand befinden, d.h. eine ausreichende Befeuchtung der Membranelektrolyten
der Zellen muss gewährleistet sein. Das ist jedoch schon nach einer Betriebspause von nur
einem Tag nicht mehr gegeben, so dass eine 10 bis 15 Minuten dauernde Einlaufphase bei
kleiner Leistung erforderlich wird.
Die folgende Anweisung für das Anfahren der Versuchsanordnung gilt, wenn das System
vorher nicht in Betrieb war. Sollte bereits unmittelbar zuvor mit dem gleichen Versuchsaufbau
gearbeitet worden sein, so stellen Sie sicher, dass Punkt 6 der folgenden Vorschrift
erfüllt ist. Wenn ja, kann direkt mit der Aufnahme der Datenpunkte (Abschnitt 3.2.2)
begonnen werden. Anderenfalls müssen die Schritte 1 bis 6 unbedingt durchgeführt werden.
Vorschrift zur Inbetriebnahme des Stacks im „dead-end“-Modus:
Öffnen Sie das Spülventil des Stacks
Öffnen Sie vorsichtig die Wasserstoffversorgung, also das Hauptventil an der
Wasserstoffflasche und das Ventil des Druckminderers, um das System einige Sekunden zu
spülen.
Achtung: Bei der Verwendung von Wasserstoff
besteht immer Brand und Explosionsgefahr. Es
herrscht absolutes Rauchverbrot, und der Umgang
mit 58 offenem feuer in der Nähe der gesamten
Brennsoffzellenanlage ist untersagt!

Achtung: Vermeiden Sie plötzliche Druckstöße. Der Wasserstoff-Druck sollte langsam
erhöht werden und darf einen Wert von 1,0 bar Überdruck (1,0 bar Relativdruck bzw. 2,0 bar
Absolutdruck) nicht überschreiten.
Schließen Sie das Spülventil des Stacks.
Führen Sie den Kurz-Check im Anhang A durch.
War der Kurz-Check erfolgreich, kann das System „warmgefahren“ werden. Dieser Vorgang
dauert etwa 10 bis 15 Minuten. Wählen Sie dazu einen Strom von 1 A und eine
Lüfterspannung von 1 V und stellen Sie den gewünschten Systemdruck (0,3 bis 0,9 bar
Überdruck) ein.
Es kann mit dem eigentlichen Versuch begonnen werden, wenn
− die schwarze Glaskugel im Strömungsmesser ruhig schwebt und
− die Leerlaufspannung des Stacks mindestens 3,5 V beträgt.
Aufnehmen der Datenpunkte („dead-end“-Modus)
− Öffnen Sie vorsichtig für ca. 1 Sekunde das Spülventil am Stack, um diesen zu
spülen.
− Stellen Sie an der Lüftersteuerung FP50 eine Lüfterspannung von 6 V ein
− Stellen Sie den gewünschten Wasserstoffdruck ein (empfohlener Mindestüberdruck
0,3 bar)
Der Druck im System ändert sich geringfügig, wenn sich der Wasserstoffverbrauch im Stack
verändert. Nach dem Einstellen neuer Lastzustände sollte der Druck am Manometer des
Druckminderers daher kontrolliert und gegebenfalls korrigiert werden.
Trennen Sie die Last vollständig von der Brennstoffzelle, warten Sie ca. 1 Minute und
nehmen Sie dann die Leerlaufspannung des Stacks und den Wasserstoff-Durchfluss auf.
Befindet sich der Stack im Leerlauf, sollte der Durchflussmesser keinen Wasserstoff-
Durchfluss anzeigen, anderenfalls befindet sich ein Leck im System.
Stellen Sie an der Widerstandslast RL20 beide Regler auf linken Anschlag und den Umschalter
in die obere Position. Verbinden Sie nun wieder die Last mit der Brennstoffzelle.
Stellen Sie mittels des oberen Reglers nacheinander die in der folgenden Messwerttabelle
(siehe Abschnitt 3.2.3) angegebenen Stromwerte ein. Nehmen Sie nach einer Wartezeit von
etwa 1 Minute je Messpunkt (Strom, Spannung und Durchfluss sollten stabil sein) die
korrespondierenden Werte für diese Größen auf. Ist der obere Regler der Widerstandslast
RL20 am rechten Anschlag angelangt, schalten Sie auf den unteren Regler um.
Bestimmen Sie den Durchfluss anhand der Position einer der Kugeln im Messglas des
HC20. Entscheidend ist dabei die jeweilige Mitte der Kugeln. Die Positionen können dann
mit Hilfe des Durchfluss-Diagramms (siehe Anhang B) in den entsprechenden Wasserstoff-
Durchfluss umgerechnet werden. Der Wasserstoff-Druck im System muss dafür bekannt
sein. Die schwarze Glaskugel ist zur Messung kleiner, die metallische Stahlkugel zur
Messung großer Durchflüsse vorgesehen. Verwenden Sie die Stahlkugel, sobald diese ruhig
schwebt, da damit eine höhere Messgenauigkeit erreicht wird.
Verweilen Sie nicht zu lange auf den Messpunkten, damit sich Parameter wie Temperatur
und Membranfeuchte nicht zu stark verändern (das gilt insbesondere für Stromstärken über
~2 A).
59

Variieren Sie den elektrischen Strom nicht abrupt, da sonst die Strömungsbedingungen so
stark gestört werden, dass es einige Minuten dauern kann, bis die Kugeln im HC20 wieder
ruhig schweben.
Achtung :Das System muss im „dead-end“-Modus von Zeit zu Zeit gespült
werden. Bei Stromstärken unter ~2 A sollte das Spülventil daher im Abstand
von maximal 10 Minuten, bei Strömen über ~2 A nach der Aufnahme jedes
neuen Datenpunktes, für ~1 Sekunde geöffnet werden.
Achtung: Die Messung ist unbedingt abzubrechen, wenn die Spannung des
Stacks unter 1,6 V sinkt.
Messwertetabelle
Messen sie beginnend bei 0 A (Leerlaufspannung) in Schritten von 0,1 - 0,25 A, um
genügend Messpunkte für die U – I--Kennlinie zu erhalten. Notieren Sie die jeweiligen
Kugelpositionen, die mit Hilfe des Diagramms im Anhang B in die entsprechenden Werte für
V umgerechnet werden können.
den Durchfluss ( H )
2
Vorgabe Messwerte
Kugelposition (mm) Durchfluss
I/A I/A U/V Glas Stahl
60
V H /ml/min
2
-1
4. Auswertung
1. Zeichnen und interpretieren Sie die Spannungs-Strom-Kennlinie U(I) der Brennstoffzelle.
2. Bestimmen Sie graphisch aus der U-I-Kennlinie die Durchtrittsüberspannung sowie
den Innenwiderstand des Brennstoffzellenstacks.
3. Zeichnen Sie die Leistungskurve P(I) der Brennstoffzelle und ermitteln Sie die
maximal erreichte elektrische Leistung Pmax. Bei welcher Stromstärke wird Sie
erreicht?
4. Berechnen Sie den theoretischen elektrischen Wirkungsgrad
rev
el
η für eine
Temperatur T= 298,15 K und Drücken von p(H2) = p(O2) = 101325 Pa. Die hierfür
notwendigen thermodynamischen Daten können dem Lehrbuch „Physikalische
Chemie“ von P.W. Atkins entnommen werden.
5. Bestimmen Sie den Spannungswirkungsgrad ηU(I) der Brennstoffzelle, bezogen auf
die theoretische thermodynamische Gleichgewichtsspannung der Wasserstoff-
Sauerstoff-Reaktion.
6. Bestimmen Sie den Stromwirkungsgrad ηI(I) des Systems.

Hilfestellung:
Der gemäß des zugeführten Wasserstoff-Volumenstromes mit Hilfe des 1. Faradayschen
Gesetzes zu berechnende, theoretisch mögliche Strom Ith ergibt sich wie folgt:
mit
I
th
V& H ⋅F ⋅z
2 =
V ⋅ n
VH2 & Wasserstoff-Volumenstrom in
F = 96.485 C⋅ mol -1
m
61
1
l s −
⋅
Farraday-Konstante
z = 2 Anzahl pro Wasserstoffmolekül umgesetzte Elektronen
Vm Molares Volumen bei 25°C in l⋅ mol -1 (ideales Gas)
n = 2 Anzahl der Zellen im Brennstoffzellenstack NP20
7. Ermitteln Sie das Produkt *
η E aus Spannungswirkungsgrad U () I η und Stromwirkungsgrad
η I () I .
8. Erstellen Sie abschließend ein Wirkungsgrad-Strom-Diagramm für das Brennstoffzellenstack
NP20 mit den drei Wirkungsgraden , η () η () und η .
Anhang A: Kurz-Check des Brennstoffzellenstacks NP20
Vor jeder Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstacks NP20 müssen dessen Membranen auf
Dichtigkeit überprüft werden, da defekte Membranen zur Bildung zündfähiger Wasserstoff-
Luft-Gemische führen können. Prüfgröße ist hierbei die Leerlaufspannung des Stacks. Zur
Messung der Leerlaufspannung muss sämtliche Widerstandslast (Widerstandslast RL20,
Strommessgerät) vom Brennstoffzellenstack getrennt werden, d. h. es wird nur die
Spannung abgegriffen. Die Leerlaufspannung wird durch ein eventuelles Überströmen von
Wasserstoff auf die Luftseite (Sauerstoffseite, Kathode) deutlich reduziert.
Der Kurz-Check umfasst die folgenden Schritte:
U I
I I
*
E

Anhang B:
Durchfluss-Diagramm des Durchflussmessers HC20
5. Fragen zum Kolloquium
1. Welche Brennstoffe sind möglich?
2. Wie ist der Wirkungsgrad definiert?
3. Welche Bau-Arten von Brennstoffzellen gibt es?
62