Vergleich der Versuchsergebnisse
Die Versuchsauswertungen sind in folgender Tabelle zusammengefasst:
1. Elektrolytlösungen
2. Ruhespannung
3. Linearer Betriebsbereich
4. Maximale Leistung
5. Konsequenzen
Bedingungen und
Ergebnisse
Einkammersystem
(diffusionskontrolliert)
Zweikammersystem
Dreikammersystem
Membran
keine Membran
Nafion®
Nafion® (Anode)
Thomapor® (Kathode)
Elektrolyt
KOH c = 1 mol/l
H2SO4
c = 0,25 mol/l
H2SO4 c = 0,025 mol/l (A)
KOH c = 0,05 mol/l (K)
Betriebsgase
Wasserstoff
Sauerstoff
Wasserstoff
Luft
Wasserstoff
Sauerstoff
Wasserstoff
Luft
Wasserstoff
Sauerstoff
Ruhespannung [V]
1,10
1,00
0,98
0,60
0,63
linearer
Betriebsbereich [mA]
0,10 - 0,50
0,15 - 0,35
0,15 - 0,85
0,10 - 0,40
0,15 - 0,60
maximale
Leistung [mW]
0,44
0,30
0,70
0,11
0,15
Die Wahl der unterschiedlichen Elektrolytlösungen wurde empirisch optimiert. Es stellte
sich dabei heraus, dass die Zelle im Einkammersystem optimal mit einer Elektrolytkonzentration
von c = 1 mol/l arbeitet. Für die weiteren Versuchsreihen sollten geringer konzentrierte
Elektrolytlösungen eingesetzt werden (s. Angaben in der Tabelle bzw. in den
Versuchsbeschreibungen).
Die Brennstoffzelle im Einkammersystem erreicht mit 1,1 V die höchste
Ruhespannung im Vergleich der Systeme. Da EMK-Messungen nicht ganz stromlos ablaufen,
hängt das sich einstellende Potential vom Innenwiderstand des Systems ab. Das Einkammersystem
läuft ohne Membran, hat daher den geringsten Widerstand. Der Innenwiderstand steigt durch
den Einbau der Membranen in
der Reihenfolge der Versuchsreihen vom Einkammersystem bis zum Dreikammersystem. Demzufolge
sinkt die Ruhespannung (bis auf 0,6 V im Dreikammersystem).
Der lineare Betriebsbereich bezeichnet den Bereich der Strombelastung, in dem die Zelle
betrieben werden kann. Innerhalb des Betriebsbereichs sinkt die Spannung annähernd linear
und um einen geringeren Betrag als außerhalb. Je breiter der Betriebsbereich ist, umso
flexibler kann die Zelle mit verschiedenen Strömen belastet werden. Es ist zu sehen, dass die
mit Luft betriebenen Zellen einen geringeren Betriebsbereich haben als die mit Sauerstoff
betriebenen. Deutlich ist dieser Unterschied in der Versuchsreihe des Zweikammersystems.
Unter Verwendung von Luft reicht der Betriebsbereich bis 0,35 mA, unter Verwendung von
Sauerstoff bis 0,85 mA, das ist mehr als das Doppelte.
Die maximal zu erhaltene Leistung der Zelle hängt ebenfalls deutlich von der Konzentration
des Oxidationsmittels ab. Bei Betrieb mit reinem Sauerstoff erbringt
die Zelle eine höhere Maximalleistung als bei Luftbetrieb.
Im Falle des Dreikammersystems ist es eine Leistungssteigerung von
0,11 auf 0,15 mW, die 36 % entspricht.
Im Zweikammersystem wird die Leistung bei Verwendung
von Sauerstoff um 133 % gesteigert.
Die Brennstoffzelle mit der besten Kennlinie und höchsten Leistungsfähigkeit
ist das Zweikammersystem mit einer Nafion®-Membran und Schwefelsäure (c = 0,25 mol/l)
als Elektrolytlösung, wenn reiner Sauerstoff als Oxidationsmittel eingesetzt wird.
Generell sollten, um nennenswerte Stromausbeuten zu erhalten, die Brennstoffzellen
mit reinem Sauerstoff betrieben werden. Die Verwendung von Luft als
Oxidationsmittel bringt im Vergleich eine deutlich geringere
Leistungsfähigkeit mit sich. Zur Simulation der Modelle technischer
Brennstoffzellen ist es jedoch notwendig, die Zellen mit Luft zu betreiben, da das
Brennstoffzellenfahrzeug NECAR (New Energy Car) der Firma Daimler-Benz ebenfalls Luft als
Oxidationsmittel einsetzt.