Die Facharbeit ist grundlegend in drei Bereiche zu gliedern: Einführung & Funktionsweise, praktische Versuche & Auswertung, Bedeutung in der Zukunft.
Eingeleitet wird die Arbeit mit einem persönlichen Vorwort,darauf wird zunächst die Funktionsweise einer reversiblen Brennstoffzelle anhand einer Muster-Brennstoffzelle ausführlich und anschaulich erläutert. Es folgen Untersuchungen hinsichtlich elektrotechnischer Aspekte (Ladegeschwindigkeiten, Wirkungsgrad, etc.), welche in detaillierten Protokollen festgehalten und kritisch kommentiert werden. Die untersuchte reversible Brennstoffzelle, Dr FuelCell™, íst von Heliocentris hauptsächlich für den Schulunterricht aber auch für private Hobby-Forscher hergestellt worden. Auf die Versuche folgt abschließend mit Bezugnahme auf die Ergebnisse ein Blick in die Zukunft, ausgelegt auf die großflächige Verwendung solcher Brennstoffzellen im Alltag. Das Schlusswort bildet das Ende der Arbeit, worauf lediglich der Anhang mit Bilddokumentation, technischen Daten zur Brennstoffzelle, etc. folgt.
Inhaltsverzeichnis
1. Vorwort
2. Elektrotechnische Untersuchung einer reversiblen Brennstoffzelle
a. Was ist eine Brennstoffzelle?
i. Allgemeine Funktionsweise einer Brennstoffzelle
ii. Reversible Brennstoffzellen
iii. Aufbau der Dr FuelCell™ Brennstoffzelle
b. Eigene Untersuchungen
i. Durchgeführte Versuche
- Versuch
- Versuch
- Versuch
- Versuch
ii. Ergebnisse im Vergleich mit Angaben der
Bedienungsanleitung
iii. Errechnung des Wirkungsgrades
c. Zukunftsmodell Brennstoffzelle
3. Resümee
4. Quellenverzeichnis
5. Anhang
a. Datenblatt Dr FuelCell™ Brennstoffzelle
b. Bilddokumentation der Experimente
c. Aufbau Dr FuelCell™ Brennstoffzelle
1. Vorwort
Weshalb ich gerade dieses Thema behandele, ist leicht zu erklären: Ich bin ein sehr ökologisch eingestellter Naturwissenschaftler, der stark an zukunftsweisenden Technologien interessiert ist. Natürlich gäbe es da viele Themen, denen ich mich deshalb mittels einer Facharbeit widmen könnte. Das Faszinierende an einer Brennstoffzelle ist, dass sie offensichtlich in der Zukunft eine überaus wichtige Rolle spielen wird, ihre verhältnismäßig simple Funktionsweise für einen Schüler wie mich aber gut zu verstehen ist und dennoch nicht langweilig erscheint.
Inhaltlich wird sich meine Arbeit eher der Praxis zuwenden. Mein Ziel ist es anhand eines konkreten Beispiels, der Dr FuelCell™ Brennstoffzelle, ihre Eigenschaften und elektrischen Proportionen zu erarbeiten, daraus selbst belegte Schlüsse in Bezug auf wissenschaftliche und wirtschaftliche Nutzbarkeit zu ziehen, die Notwendigkeit dieser Technik für die Zukunft zu belegen und so das selbstständige experimentell-naturwissenschaftliche Arbeiten zu erlernen.
Da die Dr FuelCell™ Brennstoffzelle jedoch schon ein fertiger Bausatz ist, war ich gezwungen auf die eher den chemischen Bereich betreffenden Experimente, durch welche ich Eigenschaftsunterschiede durch verschiedene Membranen und Elektrolyte untersuchen wollte, zu verzichten, weshalb der experimentelle Teil eher einen physikalisch-elektrischen Charakter erhalten hat. Ich hätte interessehalber gerne mehr Versuche als diese sehr in ihrer Varianz und Komplexität beschränkten Experimente durchgeführt.
2. Elektrotechnische Untersuchung einer reversiblen Brennstoffzelle
a.Was ist eine Brennstoffzelle?
i. Allgemeine Funktionsweise einer Brennstoffzelle
Eine Brennstoffzelle ist kein Energiespeicher, wie häufig fälschlicherweise gedacht wird, sondern ein Energiewandler, der chemische Energie in elektrische umwandelt. Sie wird meistens mit Wasserstoff und Sauerstoff (häufig Luftsauerstoff) betrieben, wobei sie auch beispielsweise mit Sauerstoff und Methanol oder Methan, aus denen mittels Dampfreformierung der benötigte Wasserstoff hergestellt wird, betrieben werden kann[1]. Die Brennstoffzelle wurde von Christian Friedrich Schönbein schon 1838 entdeckt. Weil aber kurze Zeit später der wesentlich billigere und einfacher zu produzierende Stromgenerator entdeckt wurde, hatte die Zelle praktisch keinen Nutzen mehr und wurde deshalb auch nicht weiterentwickelt. Erst mit dem Beginn der Raumfahrt um 1960, wobei die Brennstoffzelle als Energielieferant diente, begann ihre Weiterentwicklung[2].
Die folgend erklärte Funktionsweise bezieht sich nur auf die rein mit Wasserstoff und Sauerstoff betriebene Brennstoffzelle. Diese Zelle ist ein galvanisches Element und besteht aus zwei Kammern, welche durch eine Membran getrennt werden. Die Membran ist im häufigsten Fall eine Protonen durchlässige Trennwand, PEM (Proton Exchange Membrane) genannt[3]. Es gibt aber auch einige Modelle, welche mit einer Anionen durchlässigen Membran arbeiten. In jeder der Kammern befindet sich eine mit Platin als Katalysator versetzte Elektrode, welche dann über einen Verbraucher, Lampe, Motor etc., elektrisch verbunden sind. Je nach Beschaffenheit der Membran kann sie (leicht befeuchtet) oder aber Säuren oder Laugen als Elektrolyt dienen. Da diese Aufgabe im Falle der Dr FuelCell™ Brennstoffzelle die Membran übernimmt, werde ich nur die Funktionsweise dieser Zellen erläutern, welche sich jedoch nicht großartig von denen mit flüssigen Elektrolyten unterscheidet. In dem Fall mit der Membran als Elektrolyt liegen die Elektroden dicht an dieser, damit ein Protonenübergang stattfinden kann.
Die Reaktion findet nun wie folgt statt[4]:
In die eine Kammer wird Wasserstoff, in die andere Sauerstoff eingeleitet. In der Wasserstoffkammer dissoziiert das H2-Molekül durch das Platin katalysiert zu H+-Protonen und gibt dabei Elektronen an die Elektrode ab.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Sauerstoffmoleküle O2 werden in ihrer Kammer ebenfalls an der Elektrode dissoziiert und es entstehen O2--Anionen unter Aufnahme von Elektronen von der Elektrode.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Da nun eine Potentialdifferenz (Spannung) zwischen Anode und Kathode besteht und diese miteinander verbunden sind, fließt elektrischer Strom. Es wandern die Protonen durch die PEM-Membran in die Sauerstoffkammer und reagieren mit den Sauerstoffanionen unter Wärmeentwicklung zu Wasser.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten[5]
Die Brennstoffzelle wandelt durch diesen Prozess, der auch „kalte Verbrennung“ genannt wird, die chemische Energie der Wasserstoff- und Sauerstoffmoleküle in Wärme- und elektrische Energie um.
ii. Reversible Brennstoffzellen
Eine reversible Brennstoffzelle wird ein geschlossenes System genannt, dass bei Stromzufuhr die Reaktionspartner durch einen Elektrolyseur herstellt und bei Bedarf diese als Brennstoffzelle miteinander reagieren lässt, so dass Strom wieder freigegeben wird. So ein System darf nun auch als Energiespeicher bezeichnet werden. Elektrolyseur und Brennstoffzelle sind hier sogar in fast allen Fällen ein und dasselbe Bauteil, denn durch dieselbe Vorrichtung der Brennstoffzelle können unter Stromzufuhr Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt werden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Da diese Reaktion als Elektrolyse aus dem Schulunterricht bekannt sein sollte, werde ich sie nicht weiter erläutern.
iii. Aufbau der Dr FuelCell™ Brennstoffzelle
Die Dr FuelCell™ Brennstoffzelle ist eine reversible Brennstoffzelle mit PEM-Membran[6], ihre technischen Angaben sowie der bildlich dargestellte Aufbau aus der Bedienungsanleitung sind im Anhang zu finden. Die Gasspeicher müssen vor der Verwendung als Brennstoffzelle mit destilliertem Wasser gefüllt und eine Elektrolyse muss durchgeführt werden. Durch direkte Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff kann sie nicht betrieben werden, da sie als geschlossene Einheit gebaut ist. Näheres zur Benutzung wird sich in den folgenden Kapiteln aus den Versuchsanleitungen ergeben.
b. Eigene Untersuchungen
i. Durchgeführte Versuche
Versuch 1: Aufladen der reversiblen Brennstoffzelle
Versuchsfragen:
-Wie verhalten sich Stromstärke und Ladezeit während des Ladevorgangs unter verschiedenen Spannungen?
-Wie groß ist die Leerlaufspannung nach dem Aufladen mit verschiedenen Spannungen?
-Wie viel Energie wird jeweils bei den verschiedenen Spannungen zum Laden benötigt?
-Wie viele Milliliter Sauerstoff werden im Verhältnis zum Wasserstoff erzeugt?
-Wie schnell ist die Wasserstoffproduktion maximal?
Materialien:
Reversible Brennstoffzelle, Voltmeter, Amperemeter, Spannungsquelle (Gleichspannung), Kabel, Stoppuhr,
Versuchsaufbau:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Durchführung:
Zunächst werden die Wassertanks der reversiblen Brennstoffzelle mit destilliertem Wasser gefüllt. Die Zelle wird dann an die Spannungsquelle mit U = 1,6V; 1,7V; 1,8V; 1,9V; 2,0V angeschlossen. Gemessen wird in der Zeit, in der die Zelle 1ml Wasserstoff bei den geringen Spannungen und 2ml bei den höheren Spannungen erzeugt hat. Die unterschiedlichen Volumina sind zu wählen, da die Messung so genauere Ergebnisse liefert. Zu messen sind die Zeit t, die Stromstärke I und die Verhältnisse der Volumina von Wasserstoff und Sauerstoff. Wenn die Messungen erfolgt sind, wird die Spannungsquelle abgetrennt. Nun ist die Leerlaufspannung UL1 der Zelle über einen Zeitraum von 10min zu messen.
[...]
[1] Wikipedia, Brennstoffzelle, Chemische Reaktion
[2] Wikipedia, Brennstoffzelle, Geschichte
[3] Wikipedia, Brennstoffzelle, Aufbau
[4] www.ihr-nachbar.de, Das 1x1 der Brennstoffzelle
[5] www.ihr-nachbar.de, Das 1x1 der Brennstoffzelle
[6] Heliocentris, Starter Kit, Bedienungsanleitung, S. 32
- Quote paper
- Patrick Schürmann (Author), 2012, Elektrotechnische Untersuchung einer reversiblen Brennstoffzelle, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/200062
