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Versuch zum Wirkungsgrad der PEM-Brennstoffzelle

Idealer Wirkungsgrad

Da der energetische Wirkungsgrad von vornherein begrenzt ist, wird der ideale Wirkungsgrad η id definiert. Der ideale Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Quotienten der freien Reaktionsenthalpie ΔrG (Gibbs-Reaktionsenergie, der bei der Reaktion freiwerdende Wärme, z.B. in Form von elektrischer Energie) und der Reaktionsenthalpie ΔrH (die bei der Reaktion freiwerdende Gesamtenergie).

Idealer Wirkungsgrad:

η id = Δ r G Δ r H

Herleitung

Die Differenz zwischen freier Reaktionsenthalpie ΔrG und der Reaktionsenthalpie ΔrH ist die freiwerdende Wärme Q. Die Wärme kann als Produkt aus der Temperatur T und der Reaktionsentropie ΔrS beschrieben werden.

Q = T · Δ r S

Die Reaktionsenthalpie lässt sich mit folgender Gleichung bestimmen:

Δ r H = Δ r G + T · Δ r S

Der ideale Wirkungsgrad η id wird somit nach folgender Formel berechnet:

η id = Δ r G Δ r H = Δ r H T · Δ r S Δ r H = 1 T · Δ r S Δ r H

Einsetzen

Bei Standardbedingungen gilt:

T = 298  K Δ r S = 162,985   J K-1 mol-1 Δ r H = 285.840   J mol-1
η id = 1 298  K · ( 162,985 J K-1 mol-1 ) 285.840 J mol-1 = 0,83 = 83  %

Der energetische Wirkungsgrad von 83% wird aufgrund von Spannungsverlusten, die sich auch als Wärme auswirken, weiter begrenzt. Die ideale Zellspannung von 1,23V wird durch die elektrodenspezifischen Überspannungen, den Innenwiderstand der Brennstoffzelle und Diffusionsverluste innerhalb der Brennstoffzelle nicht erreicht.

Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ist ähnlich dem des Elektrolyseurs stark leistungsabhängig. Besitzt der Verbraucher einen großen elektrischen Widerstand, ist zwar der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle hoch, sie läuft jedoch nur im Teillastbereich. Man entnimmt ihr also weniger Leistung, als sie produzieren kann.

Um herauszufinden, bei welchem Lastwiderstand der energetische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle am größten ist, kann dieser Versuch mit verschiedenen Widerständen wiederholt werden (empfohlen 10Ω bis 0,1Ω).

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