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Die Brennstoffzelle; Bald eine
ernstzunehmende Alternative für die
Automobilindustrie?
Maturaarbeit von Patric Bigler, Klasse 1c
Übersicht
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Ziele der Arbeit
Die Brennstoffzelle allgemein
Wie funktioniert die Brennstoffzelle?
Die Brennstoffzelle in der
Automobilindustrie
• Praktischer Teil: Wirkungsgrad bestimmen
• Ergebnisse der Messungen
• Schlussfolgerungen
Ziele dieser Maturaarbeit
• Sammeln von jeglichen Informationen über
Brennstoffzellen (Funktion, Geschichte, Typen,
etc.)
• Bestimmung des Wirkungsgrades einer
Brennstoffzelle
• Frage der Umsetzbarkeit der Brennstoffzellen
und des Wasserstoffs im täglichen
Strassenverkehr
Steckbrief der Brennstoffzelle
• Erfunden durch den Physiker Sir William Robert
Grove im Jahre 1839
• Umkehrreaktion der Wasserelektrolyse
• Anwendungen: Raumfahrt, Heizung, dezentrale
Stromversorgung, „Autoantrieb“
• Keine schädlichen Emmissionen wie CO2
Wie funktioniert eine
Brennstoffzelle?
Brennstoffzelle mit „Proton Exchange Membrane“ (PEM) als Elektrolyt
Reaktion an der Anode:
Reaktion an der Kathode:
Gesamtreaktion:
2 H 2  4 H   4e 
O2  4H   4e   2H 2O
2H 2  O2  2H 2O
Animation
Die Brennstoffzelle in der
Automobilindustrie
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Daimler Chrysler: „NECAR 1-6, F-Cell“
BMW: „Clean Energy“
Honda: Fuel Cell „FCX“
General Motors: „HydroGen 1-3“
PSI und Volkswagen: VW Bora „HY.Power“
Uni Fribourg: Wasserstoff-Pistenfahrzeug
Praktischer Teil: Vorgehen
• Messen der Spannung über
verschiedenen Lastwiderständen
• Berechnen der Stromstärken I = U : R
• Leistung berechnen P = U ∙ I
• Wirkungsgrad berechnen
Schaltplan
Schaltplan für die Spannungsmessung über den verschiedenen Widerständen.
V: Voltmeter, R: Lastwiderstand,
RI: Innenwiderstand der Brennstoffzelle
Praktischer Teil
• Messen der Spannung über
verschiedenen Lastwiderständen
• Berechnen der Stromstärken I = U : R
• Leistung berechnen P = U ∙ I
• Wirkungsgrad berechnen
Praktischer Teil
• Messen der Spannung über
verschiedenen Lastwiderständen
• Berechnen der Stromstärken I = U : R
• Leistung berechnen P = U ∙ I
• Wirkungsgrad berechnen
Strom-Leistungsdiagramm
1
0,001
0,01
0,1
1
Leistung (Watt)
0,1
0,01
0,001
Strom stärke (Am père)
Gelbe Markierung: Beste Leistung der Brennstoffzelle
10
Praktischer Teil
• Messen der Spannung über
verschiedenen Lastwiderständen
• Berechnen der Stromstärken I = U : R
• Leistung berechnen P = U ∙ I
• Wirkungsgrad berechnen
Wirkungsgrad bei verschiedenen
Widerständen
Widerstand
Stromstärke
(Ω)
Spannung
(V)
(A)
Zeit
(sec)
Volumen
(cm3)
0,22
0,357
1,623
84
0,22
0,203
0,923
0,33
0,359
0,33
Input
(J)
Output
(J)
Wirkungsgrad
(η)
Leistung
(W)
20
185,4
48,671
26,252
0,579
112
20
185,4
20,985
11,319
0,187
1,088
127
20
185,4
49,605
26,756
0,391
0,347
1,052
135
20
185,4
49,281
26,581
0,365
0,47
0,422
0,898
144
20
185,4
54,57
29,434
0,379
0,47
0,475
1,011
155
20
185,4
74,435
40,148
0,48
Energieoutput
100  Wirkungsgrad
Energieinput
Hindernisse der Brennstoffzelle
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Tankstellennetz – Grosse Investitionen nötig
Logistik- und Produktionsproblematik von H2
Speicherungsproblematik von H2
Forschungskosten (Werkstoffe teuer)
Unterstützung der Umweltpolitik
Zukunftsaussichten
• Guter Wirkungsgrad macht Brennstoffzelle
in diversen Gebieten interessant
• Serienmässiger Produktion in ca. 15
Jahren
• Optimierung von Wirkungsgraden und
Danksagungen
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Herr R. Stucki, Fachliche Betreuung
Herr M. Zysset, Klassenlehrer
Herr Dr. F. Büchi, PSI Villigen
Herr Dr. A. Züttel, Uni Fribourg
PanGas, BMW, Honda, Toyota,
Schiess+Partner AG
Informationen und Arbeit unter:
http://www.diebrennstoffzelle.ch.vu
http://www.fuelcell.tk
http://www.brennstoffzellen.tk