Aufgabe HT 3 - Laboruntersuchung einer Brennstoffzelle · Abitur NRW Technik GK · Haupttermin 2023

c) Zeichnen Sie aus Material M 2 die Leistungskennlinie der PEM-Brennstoffzelle.

Lösung: Leistungskennlinie mit deutlichem Anstieg von 0 W bei 0 A bis zu einem flachen Maximum um ca. 0,48 W bis 0,49 W zwischen 1,4 A und 1,6 A und anschließendem Abfall bis ca. 0,20 W bei 2,0 A.

a) Erläutern Sie mithilfe der Abbildung in M 1, wie eine PEM-Brennstoffzelle aufgebaut ist und funktioniert. Geben Sie die Reaktionsgleichungen der beiden Elektrodenreaktionen und der Gesamtreaktion an. Nennen Sie außerdem Vor- und Nachteile dieses Brennstoffzellen-Typs.

Lösung: Aufbau und Funktionsweise: Anodenseitig wird Wasserstoff zugeführt und über eine Gasdiffusionsschicht verteilt. Anode spaltet katalytisch H2 in Protonen (H+) und Elektronen (e-). Die protonenleitende Membran lässt H+ zur Kathode wandern, Elektronen fließen über den äußeren Stromkreis. Kathodenseitig reagiert O2 aus Luft/Sauerstoff mit H+ und e- katalytisch zu Wasser (H2O). Oxidation: 2 H2 - 4 e- -> 4 H+ (bzw. H2 -> 2 H+ + 2 e-) Reduktion: O2 + 4 e- -> 2 O2- (bzw. O2 + 4 H+ + 4 e- -> 2 H2O) Redox/Gesamtreaktion: 2 H2 + O2 -> 2 H2O Vorteile: gute Lastdynamik, niedrige Betriebstemperatur, kompakter Aufbau, reversibler Betrieb möglich. Nachteile: hohe Anforderungen an die Gasreinheit, relativ geringe Lebensdauer der Membran, Platin-Katalysatorkosten.

b) Beschreiben Sie anhand der Kennlinie in M 2 die drei typischen Lastbereiche einer PEM-Brennstoffzelle.

Lösung: 1. Bereich (0,00 A bis ca. 0,15 A): Schneller Spannungsabfall durch Überspannungen / Aktivierungsverluste an den Phasengrenzen. 2. Bereich (ca. 0,15 A bis 1,80 A): Linearer Kennlinienverlauf, dominiert von ohmschen Verlusten durch den Innenwiderstand der protonenleitenden Membran. 3. Bereich (über 1,80 A): Steiler Spannungsabfall bis zum Zusammenbruch der Zellspannung durch Stofftransportbegrenzung / endliche Reaktionsgeschwindigkeit.

b) Ermitteln Sie aus Material M 2 zeichnerisch und/oder rechnerisch den Innenwiderstand der Brennstoffzelle.

Lösung: 0,267 Ω / 267 mΩ

c) Bestimmen Sie den Punkt maximaler Leistung: Spannung $U_{\text{MPP}}$

Lösung: 0,32 V / 0,35 V

c) Bestimmen Sie den Punkt maximaler Leistung: Stromstärke $I_{\text{MPP}}$

Lösung: 1,50 A / 1,40 A

c) Bestimmen Sie den Punkt maximaler Leistung: Leistung $P_{\text{MPP}}$

Lösung: 0,48 W / 0,49 W

d) Ermitteln Sie die Gasverbrauchsrate.

Lösung: 0,0242 cm³/s

d) Bestimmen Sie für diesen Arbeitspunkt den Faradayschen Wirkungsgrad der Zelle.

Lösung: 95 % / 0,95

d) Bestimmen Sie für diesen Arbeitspunkt den elektrischen Wirkungsgrad der Zelle.

Lösung: 47 % / 0,47

e) Nennen Sie drei Verfahren zur Speicherung von Wasserstoff. Stellen Sie eines davon genauer dar. Erklären Sie, weshalb dieses Verfahren für diesen Anwendungsfall geeignet bzw. ungeeignet ist.

Lösung: Drei Techniken: z. B. Druckgasspeicherung, Speicherung von flüssigem Wasserstoff (Kryospeicher), Metallhydridspeicher (oder LOHC / flüssige organische Träger). Beispielhafte Darstellung (Flüssigwasserstoff): Bei -253 °C drucklos in wärmeisolierten Tanks gelagert. Hohe gravimetrische und volumetrische Energiedichte. Eignung für Gebäudenotstrom: Ungeeignet wegen kontinuierlicher Speicherverluste durch Abdampfen (Boil-off ca. 1 % pro Tag), da kein stetiger Verbrauch vorliegt und regelmäßiges Nachfüllen erforderlich ist. Alternativ: Druckgasspeicherung oder Metallhydridspeicher eignen sich deutlich besser für lange Standzeiten ohne Abdampfverluste.