Experimente mit der Brennstoffzelle - BBS

Jugend forscht 2008/2009
Fachgebiet: Arbeitswelt
Tobias Klinger
Jahnstr. 17
76726 Germersheim
Tel. 07274 / 6726
Matthäus Piela
Holzgasse 30a
76872 Minfeld
Tel. 07275 / 918142
Km 06a / BBS LD
Km 06a / BBS LD
Titel der Arbeit :
Experimente mit der Brennstoffzelle
Gliederung :
Seite :
1.
Einleitung
2
2.
Fragestellung
3
3.
Materialien
3
4.
Versuche
4
Voraussetzungen
4
4.2
Gesamtfunktion
4
4.3
Untersuchung der Teilfunktionen
5
4.3.1 Stromerzeugung mit der Solarzelle
4.3.2 Strom-Spannungskennlinie und Leistungskennlinie der Solarzelle
4.3.3 Strom-Spannungskennlinie des Elektrolyseurs
4.3.4 Wasserstofferzeugung durch den Elektrolyseur
4.3.5 Energiewirkungsgrad des Elektrolyseurs
4.3.6 Strom-Spannungskennlinie und Leistungskennlinie der BSZ
4.3.7 Energiewirkungsgrad der Brennstoffzelle
5
7
9
10
11
12
13
5.
Zusammenfassung und Ausblick
15
6.
Quellenangaben
15
-2-
1. Einleitung
Als junge Kfz-Mechatroniker interessieren wir uns für die Zukunft des Autos. Oft ist von
Brennstoffzellen- oder Elektrofahrzeugen zu hören, die sich in der Entwicklung befinden. Im
Sommer lasen wir in der Fachzeitschrift auto-motor-sport(1), dass Honda erstmalig ein reines
Brenstoffzellenfahrzeug konstruiert hat. Alle anderen Hersteller bauten bisher versuchsweise
Brennstoffzellen in Fahrzeuge ein, die eigentlich für Verbrennungsmotoren gebaut wurden.
So macht es z.B. Mercedes mit der A-Klasse. Jetzt gibt es aber „das erste Serienauto, das die
Ingenieure um eine Brennstoffzelle herum gebaut haben“(2). Es handelt sich zwar zunächst
nur um eine kleine Serie und die Fahrzeuge sind bisher nur auf dem US-amerikanischen
Markt zu leasen, wenn aber die Entwicklung in der BSZ (Brennstoffzellen)-Technologie
weiter so schnell voran geht, wie es die Tabelle 1 zeigt, dann werden wir Kfz-Mechatroniker
bald in unseren Werkstätten auch auf BSZ-Fahrzeuge stoßen.
Tabelle 1 : Entwicklung der BSZ
(ams, 15/2008, S.60)
BSZ
1999
2008
Volumen in Liter
134
52
Masse in kg
202
67
Leistung in kW
60
100
Als unser Lehrer nach den Sommerferien von unserem Interesse an der BSZ-Technik erfuhr,
schlug er uns vor, die physikalischen und chemischen Grundlagen dieser Technologie mit
Hilfe eines Demonstrationsmodelles zu untersuchen. Das taten wir.
Das Modell wurde der Schule vor wenigen Jahren von der Firma Opel zur Verfügung gestellt.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------(1) auto motor sport, ams Heft 15, Jahrgang 2008, S.60-62
(2) ebd. S.60
-32. Fragestellung
Die üblichen Kraftstoffe für unsere Verbrennungsmotoren sind Kohlenwasserstoffe, die aus
Erdöl gewonnen werden. Sie sind nur begrenzt vorhanden, werden immer teuerer und führen
zu Kohlendioxid (CO2)-Emissionen.
Die BSZ braucht Wasserstoff (H2) als Krafstoff und stößt nur Wasserdampf aus. Allerdings
ist die CO2-Bilanz des BSZ-Fahrzeuges nur dann optimal, wenn der benötigte Wasserstoff
umweltfreundlich gewonnen wird, zum Beispiel durch Solarstrom.
Wir untersuchten die solare Wasserstofferzeugung und die Wasserstoffverwertung in der BSZ
in Modellversuchen.
Wir experimentierten mit der solaren Stromgewinnung (A), untersuchten die
Wasserstofferzeugung mit Hilfe des gewonnenen Solarstromes im Elektrolyseverfahren (B)
und testeten die „kalte Verbrennung“ des Wasserstoffs in der Brennstoffzelle (C). Mit dem
Strom der BSZ betrieben wir einen Elektromotor (D).
Wir analysierten die ganze Energiekette (Bild 1)
Bild 1: Energiekette
Sonne
Solarmodul
A
Elektrolyseur
B
Brennstoffzelle
C
E-Motor
D
3. Materialien
Wir verwendeten folgende Materialien:
- destilliertes Wasser
- Demonstrationsmodell mit Bedienungsanleitung
- selbstgebaute schwenkbare Haltevorrichtung für die Solarmodul-Beleuchtung
- einstellbares Labornetzgerät
- verschiedene Kfz-Lampen
- verschiedene elektrische Widerstände aus dem Elektrolabor der Schule
- Multimeter zur Messung von Spannung, Stromstärke und Widerstand
- Photokamera und Laptop zur Dokumentation
- Motortester zur Messung des Umgebungsluftdruckes und der Temperatur
-44. Versuche
Voraussetzungen
Die Versuche zur betrachteten „Energiekette“ funktionierten nur dann gut, wenn wir einige
wichtige Voraussetzungen beachteten. Auch einige Sicherheitsgesichtspunkte waren wichtig.
Im Einzelnen waren dies:
-
-
Es muss ausreichendes Tageslicht oder künstliches Licht vorhanden sein. Meistens
arbeiteten wir nachdem wir Feierabend in unseren Betrieben hatten. Bis wir uns trafen
war es oft schon dunkel. Deshalb verwendeten wir anstelle des Sonnenlichtes eine H1Nebellampe mit den Leistungsdaten 12V/60W.
Die verwendete Brennstoffzelle ist eine Niedertemperatur-PEM(1)-Ausführung. Diese
muss vor Versuchsbeginn gut durchfeuchtet sein.
destilliertes Wasser in Vorratsbehälter eingeben
Gasventile für Wasserstoff und Sauerstoff testen
Für ausreichende Lüftung sorgen, vor allem dann, wenn der Wasserstoff nicht
vollständig in der BSZ umgesetzt wird.
Nicht rauchen und kein offenes Feuer in der Nähe der Versuche
Gesamtfunktion
Bild 2 Energieübertragungsweg:
Lichtenergie treibt den Elektromotor
1
2
Im Hintergrund steht der selbstgebaute
Lichtträger (1), der es erlaubt, die
Ausrichtung des Nebellichtscheinwerfers (2) zum Solarmodul (3)
zu verändern.
3
4
5
6
Der Elektrolyseur (4) spaltet mit Hilfe
des umweltfreundlichen Solarstromes
das destillierte Wasser in Sauerstoff
und Wasserstoff auf.
Die Brennstoffzelle (5) nimmt den
Wasserstoff auf, verwandelt ihn mit
Luftsauerstoff zu Wasserdampf und
treibt mit der gewonnenen elektrischen
Energie den Elektromotor (6) an.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------(1) PEM bedeutet Proton Exchange Membran, d.h. die Membran lässt nur H+-Ionen
(Protonen) durch.
-5-
Untersuchung der Teilfunktionen
4.3.1 Stromerzeugung mit der Solarzelle
Bild 3: Versuchsaufbau zur Untersuchung
der Solarzelle
Versuch 1
Wir veränderten den Abstand der
Lichtquelle zur Solarzelle und maßen
die elektrischen Werte
(Kurzschlussstromstärke I und
Leerlaufspannung U) der unbelasteten
Solarzelle
Versuch 2
Wir veränderten den Lichteinfallwinkel auf die Solarplatte und maßen
erneut die elektrische Spannung und die
Leerlaufstromstärke der Solarzelle.
Den H1-Nebelscheinwerfer versorgten wir mit 12,01 V und einem Strom von 4,70 A.
Messergebnisse Versuch 1
Abstand in cm
8
I (mA)
12
U (V)
2,71
16,5
68,9
2,6
17,9
68,7
2,7
29,4
36,9
2,63
34,2
30,6
2,59
35,7
32
2,6
37,3
36,6
2,62
39,1
32,6
2,6
40,8
38,4
2,62
44,6
36,2
2,61
Zeichnerische Auswertung der Messergebnisse von Versuch 1
Spannung der Solarzelle in
Abhängigkeit von der Entfernung der
Lichtquelle
Stromstärke der Solarzelle in
Abhängigkeit von der Entfernung der
Lichtquelle
St romstärke in mA
Sp ann ung in V
2,72
2,7
2,68
2,66
2,64
2,62
2,6
2,58
2,56
2,54
2,52
8
17,9
34,2
37,3
Entfe rnung in cm
40,8
80
70
60
50
40
30
20
10
0
8
17,9
34,2
37,3
Entfernung in cm
40,8
-6-
Auswertung des Versuchs 1
Die Linie zeigen, dass eine Mindestentfernung nicht unterschritten werden sollte. In einem
„normalen“ Entfernungsbereich von 30 cm bis 50 cm zwischen Lichtquelle und Solarmodul
sind die Leerlaufspannung und die Kurzschlussstromstärke des Solarmoduls auf einem
ungefähr gleich bleibendem Niveau. Es gilt die Tendenz: Je größer die Entfernung desto
geringer sind die elektrischen Werte. Diese Aussage soll in einem weiteren Versuch überprüft
werden.
Messergebnisse Versuch 2
Lichteinfallwinkel in °
Winkel in °
I (mA)
U (V)
45
0
2,8
2
35
10
3,1
2,02
30
15
2,9
1,99
25
20
2,8
1,97
20
25
2,5
1,93
15
30
3
1,99
0
45
41,3
2,66
5
50
37,9
2,62
15
60
4,9
2,18
30
45
75
90
4,1 4,3
2,21 2,15
Anmerkung: Bei einem Lichteinfallwinkel von 0° trifft das Licht senkrecht auf die Oberfläche
des Solarmoduls.
Zeichnerische Auswertung der Messergebnisse von Versuch 2
Spannung der Solarzelle in
Abhängigkeit vom Neigungswinkel
der Lampe
50
Spannung in V
Stromstärke in mA
Stromstärke der Solarzelle in
Abhängigkeit vom Aufstellwinkel der
Lampe
40
30
20
10
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
0
0
10
15
20
25
30
45
50
60
75
90
Neigungswinkel der Lampe zur Waagrechten in °
10 15 20 25 30 45 50 60 75 90
Neigungswinkel der Lichtquelle zur
Waagrechten in °
Auswertung des Versuchs 2
Die Kurven zeigen eine deutliche Abhängigkeit der Solarstromstärke und eine erkennbare
Abhängigkeit der Leerlaufspannung von dem Lichteinfallwinkel. Wie wir erwartet haben,
sollte das Licht möglichst senkrecht auf die Moduloberfläche gelangen, damit die
Energieausbeute hoch ist. Bei hohem Energiebedarf könnte eine sonnennachgeführte
Solaroberfläche eingesetzt werden.
-74.3.2
Die Strom-Spannungskennlinie und die Leistungskennlinie der Solarzelle
Bild 4 : Versuchsaufbau zur Ermittlung der Strom-Spannungs-Kennlinie der Solarzelle
+
I
Solarmodul
Licht
U
R
-
An die elektrischen Anschlussklemmen des Solarmoduls werden unterschiedlich große
Widerstände R gelegt. Spannung U und Stromstärke I werden gemessen. Das Licht fällt
senkrecht auf die Oberfläche des Solarmoduls. Die Lichtquelle hat einen Abstand von 50 cm.
Da uns keine Laborwiderstände unter 10 Ω zur Verfügung standen, ermittelten wir den
Widerstand verschiedener Kfz-Leuchten (z.B. H4-Aufblendlicht, Blinker-, BremsKennzeichenlicht, etc) und bildeten durch Parallel- und Reihenschaltungen den benötigten
Widerstand.
Versuchsergebnisse
R (Ohm)
I (mA)
U (V)
P (mW)
0
0,1
0,2
0,4
0,5
0,6
0,7
1,1
1,5
2
3,4
5
8
16,1
24
47
99
146
197
245
297
396
42,5
41,4
41,1
40,9
40,8
40,8
40,7
40,5
40,4
40,3
40,1
40
38,2
36,5
32,8
36,5
24,3
17
12,7
10,4
8,6
6,5
0
0,06
0,07
0,08
0,08
0,08
0,09
0,1
0,12
0,15
0,19
0,25
1,13
1,98
2,3
1,75
2,43
2,5
2,53
2,54
2,55
2,56
0
2,484
2,877
3,272
3,264
3,264
3,663
4,05
4,848
6,045
7,619
10
43,166
72,27
75,44
63,875
59,049
42,5
32,131
26,416
21,93
16,64
Die elektrische Leistung P der
Solarzelle wird ermittelt, indem die
Messwerte von Stromstärke I und
Spannung U miteinander multipliziert
werden.
-8Zeichnerische Auswertung der Messergebnisse :
Stromstärke I
Strom - Spannungskennlinie der
Solarzelle
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
0,07 0,08 0,09 0,12 0,19 1,13 2,3 2,43 2,53 2,55
Spannung U
Leistungskennlinie P (W) der Solarzelle
80
Leistung in mW
70
60
50
40
30
20
10
0
0
0,07 0,08 0,09 0,12 0,19 1,13
2,3
2,43 2,53 2,55
Spannung in V
Auswertung:
Die Strom-Spannungskennlinie zeigt einen typischen Verlauf, lediglich bei U=1,75 V liegt
die Stromstärke ein wenig höher als erwartet. Das errechnete Leistungsmaximum von ca. 75
mW erreicht die Solarzelle bei einer Spannung von 2,3 V und einer Belastung durch einen
Widerstand von 24 Ω.
-94.3.3
Strom-Spannungskennlinie des Elektrolyseurs
Bild 5 : Versuchsaufbau zur Bestimmung der Strom-Spannungskennlinie des Elektrolyseurs
Wir erhöhen in
kleinen Schritten
die Spannung (1)
für den Elektrolyseur (3) und
messen (durch ein
hier nicht zu
sehendes)
Amperemeter die
Stromstärke durch
den Elektrolyseur.
Die weiteren BauTeile sind: Vorrat
destilliertes Wasser
(2), Wasserstoffvolumen (5), Ausgleichsvolumen
mit destilliertem
Wasser (4).
1
2
3
4
5
Versuchsergebnisse
U (V)
I (mA)
P (mW)
0
0
0
0,22 0,35 0,51 0,6
2
2
3
3
0,44 0,7 1,53 1,8
0,7 0,8 0,9
6
27 30
4,2 21,6 27
1
60
60
1,1 1,15 1,43 1,51 1,7 1,8 1,9
60 60
43
47 159 245 311
66 69 61,5 71 270 441 591
Zeichnerische Auswertung der Versuchsergebnisse
Strom - Spannungskenlinie bei der Elektrolyse
Auswertung
350
Die Spannungen U und die Stromstärken I wurden gemessen, die
Leistung P wurde errechnet.
Stromstärke in mA
300
250
200
150
100
50
0
0
0,35
0,6
0,8
1
1,15
Spannung in V
U (V)
I (mA)
1,51
1,8
Erst ab einer Spannung von ca. 1,5 V
steigt die Stromstärke I und damit
auch die elektrische Leistungsaufnahme des Elektrolyseurs deutlich
an. Nun produziert der Elektrolyseur
Wasserstoff. Dies ist im Versuch auch
durch die Entwicklung von
Sauerstoff- und Wasserstoffgasblasen
gut zu erkennen.
- 10 4.3.4
Die Wasserstofferzeugung durch den Elektrolyseur
Wenn Fahrzeuge auf die Produktion ihres Kraftstoffes Wasserstoff angewiesen sind, muss in
relativ kurzer Zeit ein großes Volumen an Wasserstoffgas hergestellt werden können. Mit
diesem Versuch wollen wir überprüfen, wie lange es dauert ein bestimmtes Volumen an
Wasserstoff zu gewinnen.
Versuch
Der Elektrolyseur wird vom Labornetzgerät mit einer stabilen Spannung von 1,9 V versorgt,
die Stromstärke hängt vom „inneren“ Widerstand des Elektrolyseurs ab. Wir beobachten die
Volumenzunahme im Wasserstoffvorratstank (Bauteil 5 im Bild 5), beobachten die
Sauerstoffblasen (Bauteil 2 in Bild 5) und merken uns die Zeit für die Volumenzunahme des
Wassserstoffs.
Volumen
3
V (cm )
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Versuchsergebnisse
Zeit
t (s)
0
146
230
332
467
613
742
871
1011
Spannung
U (V)
0
1,9
1,9
1,9
1,9
1,9
1,9
1,9
1,9
Stromstärke
I (A)
0
0,3
0,3
0,3
0,3
0,295
0,295
0,295
0,295
Zeichnerische Auswertung des Versuchs
Wasserstofferzeugung im Elektrolyseur
V (H2) in (cm3)
50
40
30
20
10
0
0
146
230
332
467
613
742
871 1011
Auswertung
Das Wasserstoffvolumen wächst in
einer Linie an. Der Elektrolyseur
produziert kontiniuerlich. Es dauert
fast 17 Minuten bis unser
Elektrolyseur 40 cm3 Wasserstoffgas
entwickelt hat.
Zeit in (s)
Doch wie weit kann man mit 40 cm3 Wasserstoff fahren im Vergleich zu Superbenzin ?
Energie des Wasserstoffs:
E = VH2 * HH2
HH2 = Heizwert des Wasserstoffs
= 11000 kJ/m3 (1)
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------(1) Tabellenbuch Fahrzeugtechnik, 24. überarb. Aufl. 2006, S.267
- 11 E = 40 cm3 * 11000 kJ/m3 * 1 m3 / 1003 cm3
E = 0,44 kJ = 440 J
Wie viel Superbenzin enthält die gleiche Energiemenge?
E = mBenzin * HBenzin
mBenzin = E / HBenzin
HB = Heizwert Superbenzin
= 43500 kJ/kg (1)
ρBenzin = Dichte von Benzin
= 0,75 kg/l (1)
mBenzin = 0,44 kJ / 43500 kJ/kg = 0,000010115 kg
VBenzin = mBenzin / ρBenzin
VBenzin = 0,000010115 kg / 0,75 kg/l = 0,0000134867 Liter = 0,013487 cm3
Antwort: Wir können mit 40 cm3 Wasserstoffgas so weit fahren, wie mit 0,013487 cm3
flüssigem Superbenzin!
Damit ist auch klar, dass man gasförmigen Wasserstoff unter hohem Druck in Fahrzeugen
speichern muss, wenn Wasserstofffahrzeuge mit einer Tankfüllung eine vergleichbare
Reichweite wie Benzinfahrzeuge erzielen sollen.
4.3.5
Energiewirkungsgrad des Elektrolyseurs
Wie gut ist die Energiebilanz des Elektrolyseurs?
Der Wirkungsgrad η ist das Verhältnis zwischen Nutzen und Aufwand. Der Aufwand besteht
in der Zufuhr der elektrischen Energie (Eel) und der Nutzen in der Herstellung energiereichen
Wasserstoffgases (EH2).
η = EH2 / Eel
Der Energiegehalt unserer erzeugten Wasserstoffmenge ist uns schon bekannt : 440 J
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------(1) Tabellenbuch Fahrzeugtechnik, 24. überarb. Aufl. 2006, S.267
- 12 Die zugeführte elektrische Energiemenge errechnet sich mit der Formel :
Eel = U * I * t
Alle Werte wurden im Versuch bestimmt, für I setzen wir einen mittleren Wert ein:
Eel = 1,9 V * 0,2975 A * 1011 s = 571,47 Ws = 571,47 J
Damit ermitteln wir für den Energiewirkungsgrad im Elektrolyseur folgenden Wert:
η = EH2 / Eel
η = 440 J / 571,47 J = 0,77
Der Energiewirkungsgrad des Elektrolyseurs beträgt 77%. Das hört sich nicht schlecht an.
Wenn man aber bedenkt, dass alle Einzelwirkungsgrade der gesamten
Energieumwandlungskette zwischen Solarlicht und Fahrzeugelektromotor miteinander
multipliziert werden müssen, dann müssen möglichst alle Einzelwirkungsgrade sehr hoch
sein. Nur dann ist der alles entscheidende Gesamtwirkungsgrad für das BSZ-Auto auch hoch.
4.3.6
Die Strom – Spannungskennlinie und Leistungskennlinie der Brennstoffzelle
Versuchsaufbau (Bild 5, Seite 9)
Mit dem erzeugten Wasserstoffvolumen belieferten wir die Brennstoffzelle. An die
elektrischen Anschlussklemmen der BSZ legten wir unterschiedlich große elektrische
Widerstände. Wir begannen mit einem unendlich großen Widerstand und ermittelten die
Leerlaufklemmenspannung. Dann bauten wir immer kleinere Widerstände in den Stromkreis
und ermittelten die Stromstärke und die Spannung der BSZ.
Versuchsergebnisse
R (Ohm)
U (V)
I (mA)
P (mW)
unendlich
470
330
200
100
47
30
20
10
5
3,4
0,8
0,4
0,2
0,1
0,45
0,39
0,38
0,37
0,36
0,34
0,31
0,28
0,23
0,17
0,15
0,1
0,09
0,08
0,07
0
0,8
1,1
1,8
3,6
7
9,6
12,6
18
25,5
30
42
43
45
47
0,0
0,3
0,4
0,7
1,3
2,4
3,0
3,5
4,1
4,3
4,5
4,2
3,9
3,6
3,3
Die elektrische Leistung der BSZ
wurde rechnerisch aus den
Messwerten Stromstärke I und
Spannung U ermittelt.
P=U*I
- 13 Zeichnerische Auswertungen des Versuchs :
Strom - Spannungskennlinie der Brennstoffzelle
Spannung U in V
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
1,1
3,6
9,6
18
30
43
47
Stromstärke I in mA
Leistungskennlinie (2) der Brennstoffzelle
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
0
1,1
3,6
9,6
18
30
43
47
Stromstärke I in mA
Leistung P in mW
Leistung P in mW
Leistungskennlinie (1) der Brennstoffzelle
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
0,45
0,38
0,36
0,31
0,23
0,15
0,09
0,07
Spannung U in V
Auswertung:
Wenn die BSZ durch geringe Widerstände und hohe ausgehende Ströme belastet wird, sinkt
ihre abgebbare Spannung. In unserer Versuchreihe wird bei einer Belastung mit ungefähr 3,4
Ohm, einer Stromstärke von 30 mA und einer Klemmenspannung von 0,15 V die maximale
Leistung unserer BSZ mit 4,5 mW erreicht.
Die hier im Modellversuch abgegebene elektrische Leistung von 4,5 mW ist sehr gering. Es
müssten schon viele Modell-BSZ zu einem BSZ-Stack hintereinandergeschaltet werden um
eine einfache 12V/10W Kfz-Schlussleuchte betreiben zu können.
4.3.7
Energiewirkungsgrad der Brennstoffzelle
In der BSZ und dem Elektrolyseur finden jeweils umgekehrte Vorgänge statt. Im
Elektrolyseur wird aus elektrischer Energie chemische Energie in Form eines WasserstoffVorratsvolumens. In der BSZ wird dieser Wasserstoff-Vorrat aufgebraucht, um mit der
entstehenden elektrischen Energie Verbraucher wie Elektromotoren betreiben zu können. Für
den Energiewirkungsgrad der BSZ gilt:
- 14 ηBSZ = Eel / EH2
Versuchsaufbau (Bild 5, Seite 9)
Um den Energiewirkungsgrad der BSZ zu ermitteln, müssen wir also die abgegebene
elektrische Energie Eel durch die aufgenommene Energie des Wasserstoffs EH2 teilen. Die
elektrische Energie erfassen wir in dem wir die gemessenen Größen Spannung U, Stromstärke
I und Zeit t miteinander multiplizieren.
Die chemische Energie des Wasserstoffs erhalten wir durch die Multiplikation des
gemessenen verbrauchten Wasserstoffvolumens VH2 mit dem Heizwert des Wasserstoffs HH2.
Als elektrische Verbraucher schalteten wir drei H1-Nebellampen in Parallelschaltung an die
Ausgangsklemmen der BSZ. Der Gesamtwiderstand dieser Schaltung betrug 3,4Ω. Dann
betreiben wir die BSZ im Bereich ihrer maximalen Leistung (Vgl. Versuchsergebnisse S.12).
Versuchsergebnisse
Zeit
Minuten
Wasserstoff
- Verbrauch
3
in cm
U in V
I in mA
18
15
14
13
13
0
5
10
15
20
25
0,16
0,16
0,17
0,17
0,18
0,19
31,5
31,9
32,9
33,9
35
36
13.50
14.08.
14.23
14.37
14.50
15.03.
Versuchsauswertung
Zur Bestimmung von Eel verwenden wir für die Stromstärke und die Spannung
Durchschnittswerte.
Eel = U * I * t
Eel = 0,175 V * 0,034 A * (73*60) s = 26,061 Ws = 26,061 J
Die Bestimmung der chemischen Energie des Wasserstoffs (Vgl. S. 10) :
EH2 = VH2 * HH2
EH2 = 25 cm3 * 11000 kJ/m3 * 1m3/1003cm3 = 0,275 kJ = 275 J
Der Energiewirkungsgrad der BSZ im Versuch:
ηBSZ = Eel / EH2
- 15 ηBSZ = 26,061 J / 275 J = 0,095
Der Energiewirkungsrad der BSZ liegt im Versuch nur bei 9,5 %!
Wir wollen diesen Versuch wiederholen und die BSZ mit unterschiedlichen Widerständen
belasten. Vermutlich liegt der Wirkungsgrad der BSZ dann besonders hoch, wenn sie im
Teillastbetrieb mit recht hohen Widerständen belastet wird und die Stromentnahme geringer
ist. Im Versuch betrieben wir die BSZ im Vollastbereich (Pmax).
5. Zusammenfassung und Ausblick
Das letzte Ergebnis, der niedere Wirkungsgrad der BSZ, hat uns überrascht. Da wir die
Auswertungen und Berechnungen erst in der Endphase zusammen mit diesem Aufsatz
schrieben, hatten wir vor Abgabe dieser Arbeit nicht mehr die Zeit erneut zu messen. Bis zur
Präsentation wollen wir noch einmal neue Versuche starten.
Insgesamt sind wir begeistert von den Möglichkeiten, die die umweltfreundliche Energiekette
vom Sonnenlicht über die Solarstromplatten, die Elektrolyse und die Brennstoffzelle bietet.
Unsere Tests haben uns gezeigt, dass der Weg technisch realisierbar ist. Wahrscheinlich ist
diese Technik aber noch viel zu teuer, denn „in zehn Jahren, so rechnet Honda-Chef Fukui,
wird ein Brennstoffzellen-Auto rund 60000 Dollar kosten. Die aktuellen Kosten sind streng
geheim“(1) und sehr viel höher.
Vielleicht kann es in mittlerer Zukunft gelingen, zunächst auf dem eigenen Hausdach
Solarstrom zu erzeugen und dann damit Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen.
Der Wasserstoff wird im Fahrzeugtank gespeichert, von der Brennstoffzelle im Fahrbetrieb in
elektrischen Strom umgewandelt und dann vom Elektromotor zum Fahren verwendet.
6. Quellenangaben
1) Bedienungsanleitung Funktionsmodell PEMPower1-Eco, H-TEC WasserstoffEnergie-Systeme GmbH, Lindenstraße 48a, 23558 Lübeck, www.h-tec.com
2) AutoMotorSport, Heft 15, 2008, Fahrbericht Honda FCX Clarity, S.60 bis 62
3) Tabellenbuch Fahrzeugtechnik, 24. überarb. Aufl. 2006, Holland+Josenhans Verlag
Würzburg, S. 267
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------(1) ams, 15/2008, S.62