Physik | Technik
Ramón Binggeli, 2005 | Brittnau, AG
Der Fokus dieser Arbeit liegt beim Bau einer funktionierenden Kapillarelektrolyseurzelle und dem Durchführen der wichtigsten Versuche. Damit sollte herausgefunden werden, wie energieeffizient eine solche, von Grund auf selbstgebaute, Zelle ist und wie sie sich unter einer Reihe von verschiedenen Faktoren verhält. Da der grösste Unterschied von dieser Zelle zu einer herkömmlichen Elektrolyseurzelle in der beidseitig-blasenfreien Gasproduktion liegt, sollte es zu einer, auch über längere Zeit hinweg, gleichmässigen Produktion der beiden Gase mit wenigen Schwankungen führen. Folgende Leitfragen und Hypothesen sollen also diese Arbeit begleiten:
Fragestellung
(I) Welche Parameter beeinflussen die Produktion von Wasserstoff in einer Kapillarelektrolyse auf welche Weise?
(II) Wie energieeffizient ist die Zelle und was sind die Gründe dafür?
(III) Die blasenfreie Gasproduktion sollte im Vergleich zu einer PEM-Elektrolyse zu einer linearen Produktion von Wasser- und Sauerstoff in einem 2:1 Verhältnis führen.
Methodik
Die gestellten Fragen wurden sowohl mit quantitativen Versuchen, um Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge zu verstehen sowie auch qualitativen Messungen, für die Gewinnung neuer Erkenntnisse an der erstellten Zelle beantwortet. Dazu gehörten Messungen, wie der Wasser- und Sauerstoffnachweis, Messungen zu Materialeigenschaften, Stromwertmessungen, Beobachtungen zu physikalischen Einwirkungen auf die Zelle und dazugehörige Berechnungen. Die gesamten Entwürfe des Bauplans wurden in Shapr3D skizziert und fertiggestellt. Die benötigten Komponenten wurden aus dem Nature Paper von Hysata und anderen Quellen herausgesucht und deren Materialien wurden übernommen sofern es im Budget lag. Grosse Abänderungen gab es in der Wahl der Elektrode und Bipolarplatten die karbonlastig waren im Gegensatz zu den präferierten nickelbasierten Komponenten.
Ergebnisse
Beim Verbrennen von einem Kilogramm Wasserstoff wird 39.4kWh Nutzenergie freigesetzt. Das bedeutet, dass es auch genauso viel Energie benötigen würde, um mit einer Effizienz von 100% 1kg Wasserstoff herzustellen. Bei einem Verbrauch von ungefähr 95 kWh pro Kilogramm produziertem Wasserstoff, hat die in der Arbeit präsentierte Zelle also eine Energieeffizienz von 41% erreicht und behielt dabei immer eine lineare Produktion von sowohl Wasser wie auch Sauerstoff bei. Die Zelle erwies sich mit Kaliumhydroxid als deutlich effizienter im Vergleich zu Wasser. Mit einem Unterschied im Widerstand von ca.365 Ohm wurde dies deutlich. Es war jedoch möglich, mit beiden Varianten Wasserstoff herzustellen. Unabhängig vom Elektrolyten liegt der Energieverlust grösstenteils an dem Zellwiderstand der ca. 27 Ohm beträgt. Dieser entstand durch die Verwendung von Materialien mit nicht optimalen Eigenschaften, deren Verarbeitung, die von Hand durchgeführt wurde, einem starken Temperaturanstieg bei zu hohen Spannungswerten und eventuell ungleichmässigen Druckverhältnissen der Berührungsflächen. Ein geringer Unterschied des Druckes und dementsprechend der sauberen Berührungsfläche zwischen den Komponenten führte bereits zu einem stark unterschiedlichen Resultat des Widerstandes.
Diskussion
Die gestellten Hypothesen wurde somit bestätigt und auch die anderen Leitfragen konnten beantwortet werden. Wichtig ist also, dass bei den Versuchen ein möglichst genormter Aufbau zu haben. So, dass der Stromfluss immer gleich ungestört fliessen kann, was stark mit der sauberen Berührungsfläche zwischen den Komponenten zusammenhängt. Die Komponenten, vor allem GDL und Elektroden, sind vom Material und der Beschaffenheit nicht optimal und haben einen höheren Eigenwiderstand. Jedoch wurden in den Messungen zu den Materialeigenschaften gezeigt, dass sie den Stromfluss nicht an den Berührungsflächen stören.
Die Verwendung besserer Materialien und genaueren Maschinen und Messmethoden wäre also unabdingbar, um die Effizienz der eigenen Zelle zu erhöhen.
Schlussfolgerungen
Wichtig ist, dass die Gründe für den Grossteil der Energieverluste ausfindig gemacht werden konnten, was ein wichtiger Schritt für die Zukunft der Arbeit ist. Das Thema war so umfangreich und, für persönliche Erfahrungen an der Kantonsschule, fortgeschritten, dass man sich, vor allem in der Testphase, auf weniger hätte konzentrieren können. Hand in Hand damit gehen auch den optimalen Umgang mit gewissen Materialien zu erlernen und wie man sie bearbeiten und für Versuche vorbereiten soll. Es ist ein Projekt, welches ausbauendes Potential in vielen Bereichen hat und somit ist diese «fertige» Arbeit nur eine Art Zwischenbericht eines Prototyps der vielen, die noch kommen werden.
Würdigung durch den Experten
Dr. Patrik Schmutz
Im Rahmen dieser Arbeit, die mit dem Bau eines sehr innovativen Elektrolyseurs verbunden ist, hat Ramon Binggeli große Begeisterung bei der Bearbeitung der technischen Fragen gezeigt. Die Wasserstoffproduktion ist ein aktuelles Thema im Zusammenhang mit der Energiewende. Diese kreative Studie analysierte die Parameter, die zur Effizienz eines Kapillar-Elektrolyseurs beitragen, sowie die Herausforderungen im Zusammenhang mit den verwendeten Materialien. Die Arbeit überzeugt durch ihre Relevanz und technische Umsetzung, auch wenn der publizierte Wirkungsgrad von 98 % nicht zu erreichen war.
Prädikat:
sehr gut
Sonderpreis «Forschung auf dem Jungfraujoch» gestiftet von der Akademie der Naturwissenschaften Schweiz & dem Paul Scherrer Institut
Kantonsschule Zofingen
Lehrer: Dr. Markus Ninck