Aufgabe 3 - Brennstoffzelle und Wasserstoff · Abitur NRW Technik LK · Haupttermin 2023

Aufgabenstellung: Laboruntersuchung einer Brennstoffzelle

Um mögliche Einsatzbereiche zu bewerten, wird im Labor eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM) untersucht. Für diese Zelle liegen die Kennlinie in M 2 sowie Messwerte zum Wasserstoffverbrauch unter Last in M 3 vor.

a)

Erläutern Sie unter Verwendung der Abbildung in M 1 Aufbau und Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle. Geben Sie die Reaktionsgleichungen der Teilreaktionen an beiden Elektroden und der Gesamtreaktion an. Nennen Sie Vorteile und Nachteile dieses Brennstoffzellentyps. [10 Punkte]

M 1: Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Polymerelektrolytbrennstoffzelle (Zugriff: 02.01.2022)

b)

Beschreiben Sie anhand der Kennlinie in M 2 die drei typischen Lastbereiche einer PEM-Brennstoffzelle. Im mittleren Lastbereich bestimmt der durch die Membran verursachte ohmsche Innenwiderstand das Verhalten. Ermitteln Sie den Innenwiderstand der Brennstoffzelle aus Material M 2 zeichnerisch und/oder rechnerisch. [10 Punkte]

M 2: Spannungskennlinie der PEM-Brennstoffzelle

Quelle: https://www.phywe.com/de/versuche-sets/schuelerversuche/strom-spannungs-kennlinie-einer-pem-brennstoffzelle_10447_11378/ (geändert; Zugriff: 04.01.2022)

Lastbereiche (ca.): 0,00 A bis 0,15 A | 0,15 A bis 1,80 A | über 1,8 A

c)

Zeichnen Sie für die PEM-Brennstoffzelle aus Material M 2 die Leistungskennlinie. Bestimmen Sie den Punkt maximaler Leistung und geben Sie dazu Spannung, Stromstärke und elektrische Leistung an. [10 Punkte]

d)

Material M 3 enthält Messdaten zum Gasverbrauch der PEM-Brennstoffzelle bei einem festen Arbeitspunkt. Ermitteln Sie die Gasverbrauchsrate. Bestimmen Sie für diesen Arbeitspunkt sowohl den Faradayschen als auch den elektrischen Wirkungsgrad der Zelle. [10 Punkte]

M 3: Messwerte im Lastbereich

Die Tabelle zeigt den Verbrauch an Wasserstoff in 5 cm³-Schritten bei einer konstanten Last von 3,3 Ω an. Der Heizwert von Wasserstoff beträgt $H_{\text{H2}} = 10{,}8\text{ MJ/m}^3$, das Molvolumen bei Laborbedingungen bei $V_{\text{M}} = 24.500\text{ cm}^3/\text{mol}$.

$V_{\text{H2}}$ in cm³ · Zeit in s · Stromstärke in A · Spannung in V

30 · 0 · 0,17 · 0,69

25 · 206 · 0,18 · 0,68

20 · 413 · 0,19 · 0,67

15 · 620 · 0,18 · 0,68

10 · 828 · 0,18 · 0,67

e)

Die im Labor untersuchte Zelle soll in einer Notstromversorgung für Gebäude zum Einsatz kommen. Nennen Sie drei Techniken zur Wasserstoffspeicherung. Stellen Sie eine davon genauer dar. Erklären Sie, weshalb diese Technik für den Anwendungsfall geeignet bzw. ungeeignet ist. [10 Punkte]

f)

PEM-Brennstoffzellen benötigen für ihren Betrieb hochreinen Wasserstoff. Außer der Elektrolyse von Wasser gibt es dafür weitere technische Verfahren, etwa das in Material M 4 dargestellte Kvaerner-Verfahren. Vergleichen Sie das Kvaerner-Verfahren mit der Wasserelektrolyse und gehen Sie dabei auf Energie- und Stoffumsätze ein. Diskutieren Sie die Vor- und Nachteile des Kvaerner-Verfahrens unter ökologischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten. [15 Punkte]

M 4: Kværner-Verfahren

Das Kværner-Verfahren ist eine Methode zur Herstellung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen, die von dem norwegischen Unternehmen Kværner ASA in den 1980er-Jahren entwickelt wurde. Beispielsweise kann man Erdgas als Ausgangsstoff einsetzen, welches zu einem großen Teil aus Methan (CH₄) besteht. So erhält man eine Möglichkeit, Erdgas auf klimaschonende Weise zu nutzen.

Funktionsprinzip

Die Methode basiert darauf, dass die Kohlenwasserstoffe einem Plasmabrenner zugeführt werden, der sie bei etwa 1600 °C in elementaren Kohlenstoff und Wasserstoff aufspaltet. Der Kohlenstoff fällt dabei in Form eines feinen Kohlepulvers (Aktivkohle) an und der Wasserstoff als heißes Gas (H₂).

Es handelt sich beim Kværner-Verfahren also um eine Methode der Plasmapyrolyse – speziell um Methanpyrolyse im Falle der Verwendung von Erdgas. Der Plasmabrenner benötigt erhebliche Mengen elektrischer Energie. Ein Teil davon wird benötigt, um die Bindungsenergie der Kohlenwasserstoffe aufzubringen: Die Reaktionsprodukte sind insgesamt deutlich energiereicher als die zugeführten Substanzen, die Reaktion ist also endotherm (48 % H₂, 40 % Kohlenstoff). Jedoch bleibt auch ein erheblicher Teil der zugeführten Energie als Wärme übrig (10 %), die z. B. zur Erzeugung von Heißdampf genutzt werden kann. Immerhin ist dieser Anteil deutlich niedriger als die Energie des gewonnenen Wasserstoffs.

Quelle: https://www.energie-lexikon.info/kvaerner_verfahren.html?s=ak (geändert; Zugriff: 05.01.2022)