Experimente:
Zweikammer-Brennstoffzelle mit Agar-Membran (im U-Rohr)
Brennstoffzelle im Zweikammersystem

Das Zweikammersystem
Im Modell des Zweikammersystems werden die Elektrodenreaktionsräume voneinander getrennt, um die Einstellung des jeweiligen Halbzellenpotentials zu ermöglichen. Dies kann auf verschiedene Arten geschehen. Folgt man dem oben beschriebenen Einkammersystem, ist es möglich, in den verbindenden PE-Schlauch einen Pfropf aus Agar einzubringen, der dann als Kationenaustauscher-Membran funktioniert (Versuch 5).
Man sollte aber das selbstgebaute Zweikammersystem verwenden. Der Vorteil dieses Aufbaus liegt darin, dass verschiedene Membranen eingesetzt werden können und leicht zu wechseln sind.

Für das Zweikammer-Modell können sowohl Kationen- als auch Anionenaustauschermembranen benutzt werden. Im ersten Falle (wie unten beschrieben) diffundieren Protonen bzw. Oxonium-Ionen durch die Membran. Wird eine Anionenaustauschermembran eingesetzt (z. B. eine selbst hergestellte Polypyrrol-Membran), diffundieren die in der Lösung befindlichen Anionen (bei Verwendung von Schwefelsäure: Sulfat-Anionen).

Exemplarisch wird hier ein Versuchsmodell vorgestellt, in das die Nafion®-Membran als Ionenaustauscher eingesetzt ist. Sie zeichnet sich durch eine hohe Selektivität für Kationen aus und wird auch in der Technik angewendet. Hergestellt wird sie von der Firma DuPont. Daimler-Benz benutzt in seinen Brennstoffzellenfahrzeugen eine Membran der gleichen Firma. Es kann angenommen werden, dass es sich dabei um eine Nafion®-ähnliche Membran handelt.

Als Oxidationsmittel wird hier Luft verwendet, um dem Prinzip der technischen Realisierung zu folgen. Die Verwendung von reinem Sauerstoff steigert die Leistungsfähigkeit der Zelle allerdings deutlich, daher wird die Auswertung auch den Sauerstoffbetrieb berücksichtigen.

Die Führung der Brennstoffzelle als kontinuierlich arbeitendes und wartungsfreies System, welches lediglich durch die Zuführung des Brennstoffes und des Oxidationsmittels arbeitet, wird im Zweikammeraufbau nicht erreicht. Das Produktwasser verbleibt hier im Kathodenraum und verdünnt die Elektrolytlösung. Die Menge des entstehenden Wassers kann berechnet werden: Materieumsatz. Wird die Elektrolytlösung nicht von Zeit zu Zeit ausgewechselt, ist ein langfristiger Betrieb rein theoretisch nicht möglich. Dennoch kommt der Zweikammeraufbau den technischen Brennstoffzellen, die z. B. Mercedes-Benz einsetzt, sehr nahe. Auch in diesen entsteht das Produktwasser im Kathodenraum, wird aber durch den Luftstrom ausgespült und zur Reformierung des Methanols weiterverwertet. In der Gemini-Brennstoffzelle diente das Wasser als Trinkwasser für die Besatzung.

Durchführung: Versuch 6

Bedingungen:
Nafion®-350 KAM
Elektrolyt: Schwefelsäure (c = 0,25 mol/l)
Betriebsgase: Wasserstoff, Luft

Auswertung:
Kennlinie und Leistungskurve der Brennstoffzelle:

Hier ist die Kennlinie wiederum in drei Bereiche einzuteilen. Der Betriebsbereich liegt zwischen 0,15 und 0,35 mA. Die Spannung fällt darin um ca. 0,11 V. Allerdings erreicht die Zelle ihr Leistungsmaximum bei 0,45 mA, also außerhalb dieses Bereiches. Bei 0,35 mA kann sie aber noch mit 90 % ihrer Leistung bei einer Spannung von ca. 0,79 V gefahren werden.

Verwendung von Sauerstoff
Um die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle zu erhöhen, kann statt Luft reiner Sauerstoff verwendet werden. Es ergeben sich eine neue Kennlinie und eine neue Leistungskurve (blau gezeichnet), die hier dem Diagramm hinzugefügt werden (zum Vergleich wurde neu skaliert).

Im Vergleich der Kennlinien ist zu erkennen, dass die Zelle unter Sauerstoffbetrieb besser arbeitet. So hat sich die maximale Leistung mehr als verdoppelt (von 0,3 mW im Luftbetrieb auf fast 0,7 mW). Unter Sauerstoffbetrieb der Betriebsbereich 0,15 bis 0,85 mA, das Leistungsmaximum 1,0 mA. Es empfiehlt sich, die Zelle mit 90 bis 95 % Leistung zu betreiben, also bei Stromstärken zwischen 0,8 und 0,85 mA.
Weiterhin können an diesem Diagramm zwei Kennlinien qualitativ verglichen werden. Während die Kennlinie im Luftbetrieb eher (bei 0,35 mA) deutlich abfällt, hält sie unter Sauerstoffbetrieb einen größeren Betriebsbereich (bis 0,85 mA), in dem die Spannung gleichzeitig weniger abfällt. Die geringere Ruhespannung unter Sauerstoffbetrieb wird durch den Zuwachs an Leistung ausgeglichen. Im Vergleich erreicht die Zelle unter Sauerstoffbetrieb besser die Kriterien für effiziente Funktion (vgl. den Abschnitt zur Interpretation der Kennlinien).

Zum Vergleich der Versuchsreihen aller beschriebenen Modelle: Vergleich der Ergebnisse

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