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2.4 Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle
Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle kann abgeschätzt werden, indem die real gelieferte
Leerlaufspannung U 0 mit dem in Kapitel 2.3 berechneten Idealwert U ideal verglichen wird.
Um die reale Leerlaufspannung U 0 zu bestimmen, lässt man die Brennstoffzelle
ca. 2 Minuten ohne Lastwiderstand (d.h. ohne Verbraucher, kein Kurzschluss!) laufen. Anschließend
schließt man ein Voltmeter an die Brennstoffzelle und misst die Spannung.
Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ergibt sich dann gemäß:
η
Leerlauf
BZ
U
=
U
0
ideal
Aufgabe:
Bestimmen Sie den (Leerlauf-)Wirkungsgrad der Brennstoffzelle!
Vertiefung:
Oben haben wir die Brennstoffzelle nur im Leerlauf, d.h. ohne Verbraucher, betrachtet. In der Realität
wird die Brennstoffzelle jedoch einen Verbraucher versorgen, und nur dann macht der Begriff des
Wirkungsgrads streng genommen Sinn, da nur dann Energie entzogen wird.
Der Berechnung des Wirkungsgrads ist in diesem Fall ebenfalls recht einfach. Eine Brennstoffzelle ist,
wie schon beschrieben, im Prinzip nichts anderes als ein „rückwärts betriebener Elektrolyseur“. Alle
chemischen Vorgänge laufen in umgekehrter Richtung ab, d.h. Wasser wird nicht in Wasserstoff und
Sauerstoff zerlegt, sondern Wasserstoff und Sauerstoff verbinden sich zu Wasser. Dementsprechend ist
der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle im Prinzip nur der Kehrwert des Wirkungsgrads des
Elektrolyseurs, da die „sinnvoll genutzte Energie“ jetzt die elektrische Energie und die „zugeführte
Energie“ die chemische Energie ist.
Eelektrisch
U ⋅ I ⋅ t
η
BZ
= = .
E H ⋅ V
chemisch
Ein Problem ist hierbei die Messung des Volumens des verbrauchten Wasserstoffs.
Aufgaben:
a) Überlegen Sie sich, wie man das Volumen des oxidierten Wasserstoffs messen kann. Wenn Sie
eine Lösung gefunden haben, bestimmen Sie den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle für einen
mittelgroßen Lastwiderstand („Verbraucher“)! (Falls die Zeit reicht, wiederholen Sie die
Messung für verschiedene Lastwiderstände! Achtung: Von außen darf keine Spannung an die
Brennstoffzelle gelegt werden!)
b) Diskutieren Sie, warum der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle vom Widerstand des
Verbrauchers abhängt!
Tipp: Überlegen sie sich dazu die Randwertprobleme ( R = 0 bzw.
R → ∞)
.