Experimente:
Brennstoffzelle im Dreikammersystem

Das Dreikammersystem
In diesem Modell sind zwei Membranen (KAM an der Anode, AAM an der Kathode) im Einsatz. Sie werden durch einen dünnen Wasserfilm voneinander getrennt, in dem das bei der Reaktion entstehende Wasser gebildet wird. Die H₃O⁺-Ionen passieren die KAM, die OH^-- Ionen die AAM in diesen Zwischenraum hinein. Dieses Modell entspricht nicht den technischen Brennstoffzellen, erfüllt aber die Kriterien für einen kontinuierlichen Langzeitbetrieb, da sich die Zusammensetzung der Elektrolytlösung hierbei nicht ändert. Als Kationenaustauschermembran wird Nafion® 350, als Anionenaustauschermembran wird Thomapor® (Fa. Reichelt Chemietechnik) verwendet. Wie schon im Zweikammersystem beschrieben, wirkt auch hier die Verwendung von reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel leistungssteigernd.

Durchführung: Versuch 7

Bedingungen:
Nafion®-350 KAM an der Anode
Thomapor®-AAM an der Kathode
Elektrolyt an der Anode: Schwefelsäure (c = 0,025 mol/l)
Elektrolyt an der Kathode: Kaliumhydroxidlösung (c = 0,05 mol/l)
Betriebsgase: Wasserstoff, Luft

Auswertung:
Durch Auftragen von Stromstärke gegen Spannung erhält man die Kennlinie der Brennstoffzelle:

Der Betriebsbereich dieser Zelle ist an der Kennlinie nicht einfach festzustellen, da der Kurvenverlauf schon fast linear ist. Der Spannungsabfall ist zwischen den Stromstärken von 0,1 bis 0,4 mA (Betriebsbereich) im Vergleich gering, beträgt aber insgesamt über 40 %. Die Maximalleistung erreicht die Zelle bei 0,4 mA. Im Bereich zwischen 0,35 und 0,4 mA steigt die Leistung allerdings nur sehr leicht, deswegen empfiehlt sich auch hier ein Betrieb unterhalb der Maximalleistung, um noch genügend Spannung zu erhalten.
Zu sehen ist, dass die Leerlaufspannung und die Leistungsfähigkeit der Zelle hier den niedrigsten Wert erreichen. Wie schon im Schritt vom Einkammer- zum Zweikammersystem sind die Gründe hierfür der jetzt noch höhere Innenwiderstand der Membranen und der Wasserfilm zwischen ihnen.

Verwendung von Sauerstoff
Durch Verwendung von reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel lässt sich die Leistungsfähigkeit der Zelle deutlich steigern. Das folgende Diagramm zeigt den Effekt:

Die Verwendung von Sauerstoff steigert die Leistung dieser Zelle um 50 %. Sie erreicht ihr Leistungsmaximum mit 0,1518 mW bei einer Stromstärke von 0,6 mA. Der Betriebsbereich liegt zwischen 0,35 und 0,6 mW, da sich in ihm die Leistung nur geringfügig ändert. Wie auch unter Luftbetrieb fällt in diesem Bereich die Spannung jedoch deutlich ab, im Vergleich allerdings nur um 0,11 V, also um ca. 18 %.
Für das Versuchsmodell im Dreikammersystem empfiehlt sich Sauerstoff als Oxidationsmittel für einen langfristigen und wartungsfreien Betrieb bei ausreichender Leistung.

Zum Vergleich der Versuchsreihen aller beschriebenen Modelle: Vergleich der Ergebnisse

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