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Um den Wirkungsgrad der PEM Brennstoffzelle zu bestimmen, ging ich folgendermassen vor:
Der Messzylinder wurde bis knapp unter die erste Markierung mit Wasserstoff aufgefüllt (in Abb. 9 ist es die zweite Markierung). Sobald der Wasserspiegel im Messzylinder durch den Verbrauch der Zelle auf die erste Markierung zurückgestiegen war, wurde die Zeit gemessen, bis 20 ml des Brennstoffs verbraucht waren. Je nach eingespanntem Widerstand, der gemäss Abbildung 10 als Last der Brennstoffzelle diente, wurde schneller oder langsamer der Wasserstoff verbraucht. Je grösser der Widerstand, desto weniger der Wasserstoffverbrauch über eine bestimmte Zeitspanne. Bei Kurzschluss der Brennstoffzelle war demzufolge der Verbrauch maximal.
Die Zeit, die die Brennstoffzelle zum Verbrennen des Wasserstoffs mit einem bestimmten Widerstand brauchte, wurde pro eingesetzten Widerstand dreimal gemessen. Anschliessend wurden die drei Zeitwerte gemittelt. Gemäss folgender Formel konnte nun der Energieoutput bestimmt werden:
, ,
Um den Wirkungsgrad auszurechen, musste nun der Energieinput bei allen verwendeten Widerständen berechnet werden. Dazu mussten die Grössen der idealen Gasgleichung auf die am Messtag herrschenden Druck- und Temperaturverhältnissen angepasst werden:
1 mol H2 entsprach am Messtag gemäss der idealen Gasgleichung bei einer Temperatur von 297 Kelvin und einem Druck von 954 hPa einem Volumen von 25.88 L:
daraus folgt:
, , ,
Bei handelt es sich um die universelle Gaskonstante: .
Mit dem spezifischen Heizwert des Wasserstoffs aus der Literatur (12∙10 7J / Kg) ist es nun möglich, die Energie von 1 cm3 H2 zu bestimmen. Bei den vorher erwähnten Bedingungen enthält 1 cm3 H2 eine Energie von 9.27 Joule.
Nun wurden die Anzahl verbrauchter cm3 (in dieser Messung jeweils 20 cm3) mit 9.27 Joule multipliziert, um die zugeführte Energiemenge (Energieinput) zu bestimmen.
Der Wirkungsgrad in Prozent ist:
Mit dem 0.47Ω-Widerstand wies die Brennstoffzelle mit rund 40% den besten Wirkungsgrad von auf:
Widerstand
(Ω) Spannung (V) Stromstärke
(A) Zeit (sec) Volumen (cm3) Input
(J) Output (J) Wirkungsgrad (η) Leistung (W)
0,22 0,357 1,623 84 20 185,4 48,671 26,252 0,579
0,22 0,203 0,923 112 20 185,4 20,985 11,319 0,187
0,33 0,359 1,088 127 20 185,4 49,605 26,756 0,391
0,33 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
Den optimalen Wirkungsgrad besitzt eine Brennstoffzelle nicht zwingend bei ihrer besten Leistung. In obiger Tabelle ist ersichtlich, dass die Brennstoffzelle bei eingesetztem 0.22 Ω
Widerstand eine bessere Leistung aufweist, jedoch der Wirkungsgrad tiefer liegt als bei der Messung mit einem Widerstand von 0.47 Ω.
Brennstoffzellen mit Polymermembran weisen einen theoretischen Wirkungsgrad zwischen 50-60% auf. In der praktischen Anwendung besitzt dieser Brennstoffzellentyp normalerweise einen Wirkungsgrad von 40%.
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