Der PEM-Eletrolyseur und der Hofmann’schen Zersetzungapparat

[Chris]

Hi,
also ja, ich schreibe auch Facharbeit in Chemie (kommt ja auch nicht so oft hier vor im Forum^^) und bräuchte mal eure Hilfe

Und zwar ist mein Thema die Brennstoffzelle mit besonderem Schwerpunkt auf der PEM (Polymer Elektrolyt Membran). Informationen zur Brennstoffzelle und zur PEM habe ich (auch wenn es zur PEM bisschen mehr sein könnte, aber reicht aus^^), jedoch bei meinem Versuch gibt es Probleme.
Und zwar habe ich einen Elektrolyseur auf PEM-Basis und den Hofmann’schen Zersetzungapparat verglichen. Es fiel auf, dass ich beim Zersetzungsapparat eine 4-mal so hohe Spannung anlegen werden muss, um dieselbe Menge Wasserstoff abzuspalten als bei der Elektrolyse mit der PEM. Nun muss ich dieses erklären. Es soll was mit einer Galvanischen Zelle und einer Gegenspannung, die sich aufbaut, zu tun haben (Galvanische Zelle kenne ich, aber wie genau ist das beim Hofmann’schen Zersetzungapparat?).
Leider bin ich echt überfragt und hoffe, dass Ihr mir weiterhelfen könnt

[alpha]

Vier mal höhere Spannung? - Das ist ganz ordentlich! - Was verwendest du als Elektrodenmaterial?
Das Phänomen der Überspannung tritt eigentlich immer auf...
Was ist genau deine Frage? - Weshalb die Überspannung auftritt?

Vielleicht magst du mal "zur Einstimmung" das hier lesen.


Grüsse
alpha

[Mane]

In einem alten Protokoll habe ich gefunden, dass wir Spannungen von 2-3 V an die Platinbleche im Hoffmanschen Zersetzungsapparat angelegt haben. Wie viel waren's denn bei Deinem Versuch?

Hier noch Infos aus Praktikumsprotokollen - vielleicht kannst Du davon ja was brauchen...:
"Im Hoffmannschen Zersetzungsapparat wird Wasser durch elektrischen Strom in H2 und O2 zersetzt. Wegen der geringen Leitfähigkeit des Wassers nimmt man aber statt reinem Wasser Schwefelsäure (mit einem Massenanteil von 30 %).
An der Kathode entsteht Wasserstoff, an der Anode Sauerstoff - im Volumenverhältnis 2:1. An der Anode wird außerdem Schwefelsäure nachgebildet, deren H+ an der Kathode wieder verbraucht werden."

"Brennstoffzellen verwandeln die Energie einer chemischen Reaktion direkt in elektrische Energie. Bevorzugte Ausgangsstoffe für die chemische Reaktion sind Wasserstoff und Sauerstoff – bei Hochtemperaturbrennstoffzellen auch Erdgas, Diesel oder „erneuerbare“ Rohstoffe wie Rapsöl. Die Energieumwandlung erfolgt nach dem Umkehrprinzip der Elektrolyse. An der Anode werden Wasserstoffmoleküle unter Abgabe von Elektronen zu positiv geladenen Wasserstoffionen oxidiert. Die Wasserstoffionen diffundieren durch den Elektrolyten (z. B. ein ionenleitender keramischer Elektrolyt) zur Kathode. An der Kathode wird Sauerstoff unter Aufnahme von Elektronen reduziert und reagiert mit den Wasserstoffionen zu Wasser. Werden Anode und Kathode mit einem elektrischen Leiter verbunden, fließt ein elektrischer Strom.
Grundsätzlich gibt es mehrere Grundbauarten von Brennstoffzellen-Systemen, die sich prinzipiell durch die Art des ionenleitenden Elektrolyten unterscheiden. Die beiden meistverbreiteten Systeme sind die Polymer-Elektrolyt-Membran-(PEM)-Brennstoffzelle und die Solid-Oxide-Fuel-Cell (SOFC). Die PEM-Brennstoffzelle besteht aus einer protonenleitenden Kunststoffmembran, die auf beiden Seiten mit Platin als Elektrodenmaterial bedampft ist.
Problem: Die Vergiftung der Polymer-Elektrolyt-Membran der PEM durch Kohlendioxid verkürzt die Lebensdauer und macht eine aufwendige Reinigung des Brenngases erforderlich.
Brennstoffzelle: Elektrochemischer Wandler, in dem sich Wasserstoff mit Sauerstoff in einem mittels Katalysator kontrollierten Prozess verbindet. Dabei entstehen ohne Emission von Schadstoffen Strom und Wärme (umgekehrte Elektrolyse). Im Vergleich zu herkömmlichen Energiewandlern haben Brennstoffzellen einen hohen Wirkungsgrad.
Elektrolyse: Elektrochemischer Prozess, bei dem unter Zuführung von elektrischem Strom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird.
Wirkungsgrad: Quotient aus Zielenergie und zugeführter Energie. Unter Berücksichtigung aller Umwandlungsverluste erreichen Brennstoffzellen auf der Basis von Erdgas (full fuel cell cycle efficiency) einen Wirkungsgrad von bis zu 27 Prozent. Verbrennungsmotoren bringen es auf etwa 20 Prozent.
Brennstoffzellen erzeugen durch so genannte „kalte Verbrennung“ Strom (es entsteht bei der Verbrennung (=Verbindung mit Sauerstoff) keine Hitze).
PEM: Die Polymer-Membran ist das eigentliche Geheimnis der Brennstoffzelle. Sie wird als Elektrolyt verwendet. Das heißt, sie lässt Wasserstoffatome nur in eine Richtung durch. Befindet sich auf der einen Seite Wasserstoff, auf der anderen Sauerstoff, passiert folgendes: Wasserstoffatome wandern durch die Membran (Elektrolyt) und verbinden sich mit Sauerstoffatomen zu Wasser. Dabei sammelt sich durch Ionenaustausch negative Ladung auf der Wasserstoffseite an (Anode), positive auf der Sauerstoffseite (Kathode). Verbindet man Anode und Kathode, fließt nutzbarer Strom.
Den Wirkungsgrad von diesen Aggregaten gibt DaimlerChrysler mit 60 bis 70 Prozent an, damit liegt er um bis zu 50 Prozent höher als der von Ottomotoren. Unter Wirkungsgrad versteht man bei Kraftmaschinen das Verhältnis von Nutzleistung zur aufgebrachten Leistung."

[Chris]

quote]Original geschrieben von alpha
Vielleicht magst du mal "zur Einstimmung" das hier lesen.[/quote]
Hm, danke. Sehr netter Artikel, auch wenn nicht sehr einfach zu lesen, und ich nicht alles verstehe

Um noch mal meinen Versuch und mein Problem zu beschreiben:
Ich habe eine PEM-Brennstoffzelle genommen und diese Rückwärts laufen lassen, also eine Elektrolyse durchgeführt. Angelegt habe ich eine Spannung von 2V. Gewartet habe ich also nun, bis sich 10ml Wasserstoff abgespalten haben und die Zeit notiert. Diesen Versuch habe ich etwa 10mal wiederholt, da das Gerät etwa zwei Jahre im Schrank stand und somit erstmal auch wieder betriebsbereit gemacht werden musste.
Des Weiteren war auch ein Ampermeter angeschlossen.
Hier die Durchschnittswerte aus allen 10 Versuchsdurchführungen:

• 2V
• ~540mA
• ~2min 34secs (bis 10mal H2 entstand)

Beim Hoffmann’schen Zersetzungsapparat musste ich eine Spannung von 10V (ist sogar 5-mal so hoch die Spannung^^) anlegen, um auf etwa dieselbe Amperzahl zu kommen (~600mA). Die Zeit, bis sich 10mal Wasserstoff abgespalten hat ist identisch.

Nun bin ich daran, diesen Zusammenhang zu erklären. Ich weiß, dass es was mit einem Galvanischen Element und mit einer Gegenspannung zu tun hat (oder auch Überspannung?), jedoch ist mir nicht 100%-tig klar, wie genau die Elektrolyse beim Hoffmann’schen Zersetzungsapparat abläuft, dass eine 5-mal (!) so hohe Spannung angelegt werden muss.

[Gast]

~2min 34secs (bis 10mal H2 entstand)

Das sollte natürlich 10ml bedeuten

Also meine Frage ist ganz einfach, um es nochmal auf den Punkt zu bringen:

Hängt es mit der Überspannung zusammen, dass ich beim Hoffmann'schen Zersetzungsapparat eine 5-mal so hohe Spannung brauche, um die selbe Menge Wasserstoff abzuspalten, und etwa die selbe Stromstärke zu erreichen?

[Chris]

Schade, keine Antwort
Aber habe meine Frage schon anderweitig beantwortet^^

Also kann hier eigentlich geclosed werden der Threat

[elfenbein]

das haben die studenten so an sich, haben die antwort, aber die andern nicht mehr teilhaben lassen, haupsache imponiervokabeln benutzt, also soll geklosed werden.

[brain]

...und dann gibt es noch diese komischen Leute, die in uralte Threads sinnlose oder auch angreifende Bemerkungen schreiben und dabei noch nicht einmal Orthografiekenntnisse beweisen... Insofern sollten solche Threads wirklich geschlossen werden.

[alpha]

Da bin ich anderer Meinung; Unmut zu zensieren sehe ich nicht als die wirkliche Lösung an. Und Threads zu schliessen, nur weil die Frage den Fragestellenden nicht mehr interessiert, dazu sehe ich noch weniger Anlass.
Wenn von den anderen Moderatoren jemand anderer Meinung ist, möge er machen was er will, werde nicht beleidigt sein, schreibe hier nur MEINE Meinung


Grüsse
alpha

[brain]

Das sollte auch eher eine etwas ironische Reaktion auf den vorhergehenden Beitrag sein. Sowas finde ich einfach unangebracht. Wenn jemand seinen Unmut äußern will, kein Problem - nur dann bitte mit konkreten Problemen.