Direkt zum Inhalt

Aufgabe

Energiefluss in einer Brennstoffzelle

Schwierigkeitsgrad: schwere Aufgabe

Bei Brennstoffzellen wird chemische Energie direkt in elektrische Energie und Wärme umgewandelt, bei einer Dampfturbine im Kraftwerk braucht man einen Generator, der die kinetische Energie der drehenden Turbine in elektrische umwandelt.

a)Zeichne ein Energieflussbild für die Erzeugung von elektrischer Energie mit einer Dampfturbine.

b)Zeichne ein entsprechendes Energieflussbild für eine Brennstoffzelle. Wie bei allen Energieumwandlungen tritt auch hier eine Energieentwertung auf. Stufe die auftretenden Energiearten in eine "Wertreihenfolge".

c)Überlege, wo man ein Brennstoffzellensystem so einsetzen kann, dass sowohl die elektrische als auch die Abwärme sinnvoll genutzt werden kann.

Erkläre, warum der Gesamtwirkungsgrad eines solchen Brennstoffzellensystems größer wird.

d)Wie könnte man den (energetischen) Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle experimentell ermitteln (prinzipielle Vorgehensweise)?

Lösung einblendenLösung verstecken Lösung einblendenLösung verstecken

a) 

b) 

In der Reihenfolge Elektrische Energie → Chemische Energie → Innere Energie nimmt der Wert der bei der Brennstoffzelle auftretenden Energien ab.

c)Bei einem Blockheizkraftwerk kann z.B. nicht nur die elektrische Energie, welche bei der Brennstoffzelle entsteht, sondern auch die innere Energie teilweise für Heizzwecke verwertet werden.

Ohne Verwertung der inneren Energie gilt für den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle\[\eta_{BZ} = \frac{\Delta E_{\text{elektrisch}}}{\Delta E_{\text{chemisch}}}\]Bei Verwertung eines Teils der inneren Energie gilt für den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle\[\eta_{BZ}^* = \frac{\Delta E_{\text{elektrisch}} + \Delta E_i^*}{\Delta E_{\text{chemisch}}}\]Hinweis: \(\Delta E_i^*\) ist nicht die gesamte innere Energie, welche frei wird.

d)Experimentelle Vorgehensweise:

Man schließt an die Brennstoffzelle einen Lastwiderstand an und misst die Zellenspannung U und den Strom I während der Versuchsdauer Δt.

Zusätzlich ermittelt man das Volumen ΔV des während der Versuchsdauer benötigten Wasserstoffs.

Mit dem auf das Volumen bezogenen Heizwert des Wasserstoffs kann dann der Wirkungsgrad ermittelt werden: \[\eta_{BZ} = \frac{\Delta E_{\text{elektrisch}}}{\Delta E_{\text{chemisch}}}    \Rightarrow     \eta_{BZ} = \frac{U \cdot I \cdot \Delta t}{H \cdot \Delta V}\]