Brennstoffzelle
Versuch im Rahmen des Fortgeschrittenenpraktikums
Wintersemester 2023/2024
von Leonhard Steiner und Lukas Ritzer
,Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 3
2 Theorie 4
2.1 Solarzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1 Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.2 Maß für die Diffusion zwischen Bändern - Die Fermi-
Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.3 Dotierung und p-n-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.4 Die Solarzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.5 Die I-U-Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.6 Effizienz einer Solarzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Eigenschaften eines Schwarzstrahlers . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 Gefahren beim Umgang mit Wasserstoff und Sauerstoff . . . . 12
3 Versuchsdurchführung 13
3.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 Versuche an der Solarzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.1 Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung für unterschied-
liche Belichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.2 I-U-Kennlinie unbeleuchtet . . . . . . . . . . . . . . . . 14
, 3.2.3 I-U-Kennlinie beleuchtet . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2.4 Beleuchtete Fläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.5 Füllfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.6 Parallel- und Serienwiderstand . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3 Elektrolyseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.1 I-U-Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.2 Wirkungsgrad des Elektrolyseurs . . . . . . . . . . . . 21
3.3.3 Faradayscher Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4 Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4.1 I-U-Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4.2 Optimalleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4.3 Faradayscher Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4.4 Wirkungsgrad der Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . 27
3.4.5 Bewertung dieses Ergebnisses . . . . . . . . . . . . . . 27
4 Fazit 28
5 Anhang 30
, Seite 3 von 35
1 Einleitung
In Zeiten der Energiewende und alternativen Energieträgern wird immer wie-
der Wasserstofftechnologie als Energieträger der Zukunft bezeichnet. Zuerst
wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff mittels Solarenergie aufgespalten,
um dann den Wasserstoff beispielsweise in einer Brennstoffzelle wieder zu
Wasser zu verbrennen. Beispielsweise über eine Solarzelle kann Solarenergie
in elektrische Energie umgewandelt werden. Dieser Strom kann dann z.B.
durch Elektrolyse zur Spaltung des Wassers genutzt werden.
Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von chemischer in elektrische Energie
ist dabei sehr hoch und Wasserdampf als einziges Abgas macht die Brenn-
stoffzelle im Vergleich zu einem herkömmlichen Verbrennungsmotor zu einer
absolut umweltfreundlichen Alternative.
Die Speicherung von Wasserstoff ist aufgrund der physikalischen/chemischen
Eigenschaften sehr kompliziert. In der Brennstoffzelle kann jedoch bei kon-
stanter Stromproduktion durch die Solarzelle permanent Wasserstoff herge-
stellt werden.
Im Rahmen dieses Versuches soll die Funktionsweise einer Solar-/Brennstoffzelle
untersucht werden. Zu diesem Zweck werden die wichtigsten Bauteile wie So-
larzelle, Elektrolyseur und die Brennstoffzelle selbst untersucht und Eckdaten
bestimmt.
Versuch im Rahmen des Fortgeschrittenenpraktikums
Wintersemester 2023/2024
von Leonhard Steiner und Lukas Ritzer
,Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 3
2 Theorie 4
2.1 Solarzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1 Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.2 Maß für die Diffusion zwischen Bändern - Die Fermi-
Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.3 Dotierung und p-n-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.4 Die Solarzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.5 Die I-U-Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.6 Effizienz einer Solarzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Eigenschaften eines Schwarzstrahlers . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 Gefahren beim Umgang mit Wasserstoff und Sauerstoff . . . . 12
3 Versuchsdurchführung 13
3.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 Versuche an der Solarzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.1 Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung für unterschied-
liche Belichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.2 I-U-Kennlinie unbeleuchtet . . . . . . . . . . . . . . . . 14
, 3.2.3 I-U-Kennlinie beleuchtet . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2.4 Beleuchtete Fläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.5 Füllfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.6 Parallel- und Serienwiderstand . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3 Elektrolyseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.1 I-U-Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3.2 Wirkungsgrad des Elektrolyseurs . . . . . . . . . . . . 21
3.3.3 Faradayscher Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4 Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4.1 I-U-Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4.2 Optimalleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4.3 Faradayscher Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4.4 Wirkungsgrad der Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . 27
3.4.5 Bewertung dieses Ergebnisses . . . . . . . . . . . . . . 27
4 Fazit 28
5 Anhang 30
, Seite 3 von 35
1 Einleitung
In Zeiten der Energiewende und alternativen Energieträgern wird immer wie-
der Wasserstofftechnologie als Energieträger der Zukunft bezeichnet. Zuerst
wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff mittels Solarenergie aufgespalten,
um dann den Wasserstoff beispielsweise in einer Brennstoffzelle wieder zu
Wasser zu verbrennen. Beispielsweise über eine Solarzelle kann Solarenergie
in elektrische Energie umgewandelt werden. Dieser Strom kann dann z.B.
durch Elektrolyse zur Spaltung des Wassers genutzt werden.
Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von chemischer in elektrische Energie
ist dabei sehr hoch und Wasserdampf als einziges Abgas macht die Brenn-
stoffzelle im Vergleich zu einem herkömmlichen Verbrennungsmotor zu einer
absolut umweltfreundlichen Alternative.
Die Speicherung von Wasserstoff ist aufgrund der physikalischen/chemischen
Eigenschaften sehr kompliziert. In der Brennstoffzelle kann jedoch bei kon-
stanter Stromproduktion durch die Solarzelle permanent Wasserstoff herge-
stellt werden.
Im Rahmen dieses Versuches soll die Funktionsweise einer Solar-/Brennstoffzelle
untersucht werden. Zu diesem Zweck werden die wichtigsten Bauteile wie So-
larzelle, Elektrolyseur und die Brennstoffzelle selbst untersucht und Eckdaten
bestimmt.
