Auswertung des Versuchs (Sauerstoff)

Nach Auftragen der Messwerte Spannung/Stromstärke ergab sich folgende Kennlinie:

Vernachlässigt man vorerst die eingetragenen Werte und betrachtet nur das äußere Bild der Kennlinie, so stellt man fest, dass sie eine flache Kurve beschreibt. Die Kennlinie hat eine negative Steigung, fällt also.

Betrachtet man die U-I-Kennlinie genauer, lässt sich feststellen, dass die Spannung sinkt, wenn die Stromstärke steigt. Dieses Phänomen lässt sich wie folgt veranschaulichen: Im Zustand der Ruhespannung fließt kein Strom, man könnte auch sagen der Widerstand ist unendlich groß.

Schaltet man nun einen zusätzlichen Widerstand fester Größe in den Stromkreis, so beginnt der Elektronenfluss. An der Anode werden Wasserstoffmoleküle adsorbiert und im Verhältnis 1:1 in Protonen und Elektronen gespalten. Je größer der Widerstand ist, um so weniger Moleküle werden adsorbiert, da weniger Elektronen durch den Leiter fließen können.

Da nun die wenigen Elektronen langsamer durch den Stromkreis wandern, als die Protonen auf ihrem Weg durch die Membran, kommen an der Kathode pro ZE mehr Protonen als Elektronen an. Dies führt zu einer Änderung der Elektrodenpotentiale. Auf der Anoden-Seite liegt eine geringe, unausgeglichene negative Ladung vor, an der Kathode eine leicht positive. Durch diese Änderung sinkt die Potentialdifferenz, also die Gesamtspannung in der Zelle.

Die Potentialdifferenz sinkt stärker, je geringer der Widerstand ist. Bei einem hohen Widerstand (in unserem Beispielversuch 200 Ohm) entstehen wenige Protonen und Elektronen. Daraus folgt, dass die Elektronen zwar stark gebremst werden, an der Kathode jedoch weniger Elektronen als Protonen ankommen. Also ist auch die unausgeglichene Ladung und somit die Veränderung der Potentialdifferenz gering, die Spannung bleibt verhältnismäßig hoch.

Bei einem geringeren Widerstand (beispielsweise 50 Ohm) fällt die Zellspannung stärker. Die Menge an adsorbierten Wasserstoff-Molekülen steigt und mit ihr auch die Anzahl an Protonen und Elektronen. Die Elektronen werden durch den Widerstand im Leiter geringer gebremst, es wandern jedoch im Verhältnis wesentlich mehr Protonen pro ZE durch die Membran als Elektronen durch den Leiter, so dass die Elektrodenpotentiale sich stärker verschieben.

Allgemein kann man also feststellen: Je geringer der Widerstand, desto geringer ist die Zellspannung. Die Anzahl an entstandenen und transportierten Elektronen steigt jedoch mit sinkendem Widerstand. Zu Beginn wurde bereits festgestellt, dass mit sinkender Spannung die Stromstärke steigt. Es muss also einen Zusammenhang zwischen der Anzahl der Elektronen, die pro ZE durch den äußeren Stromkreis wandern, und der Stromstärke bestehen. Die Stromstärke I ist definiert als die in einer bestimmten ZE durch einen Leiterquerschnitt fließende Ladungsmenge Q, d.h. mit steigender Zahl der umgesetzten Elektronen steigt auch die Stromstärke.

Die im Versuch zusätzlich eingeschaltete Lampe und der Motor sollen als Beispiel für einen möglichen Verbraucher dienen und verdeutlichen, dass es sich bei Motoren oder ähnlichen Verbrauchern auch um Widerstände im Stromkreis handelt. Außerdem kann man sich leichter einen Stromverbrauch bzw. Stromfluss vorstellen, wenn man sieht, dass durch den Strom ein Motor angetrieben wird oder eine Lampe leuchtet.

Die Leistungs-Stromstärke-Kennlinie (P-I-Kennl.) beschreibt wie schon die U-I-Kennlinie eine Kurve. Im Gegensatz zur U-I-Kennlinie hat sie jedoch eine positive Steigung.

Die Leistung P ist definiert als pro Zeiteinheit t verrichtete Arbeit W: P = W/t.

Die elektrische Arbeit W_el wiederum ist definiert als Spannung U multipliziert mit der Stromstärke I und der Zeit t: W_el = U * I * t .

Setzt man nun die Formel für die elektrische Arbeit in die Formel für die Leistung ein, so ergibt sich: P = U * I.

Befindet sich in einem Stromkreis ein Widerstand muss ein bestimmter Betrag an elektrischer Arbeit pro ZE aufgebracht werden, damit eine bestimmte Ladungsmenge, also eine bestimmte Anzahl an Elektronen, durch den Stromkreis fließen kann. Diesen Betrag bezeichnet man als Leistung. Man muss eine höhere Leistung aufbringen, wenn die Ladung schneller durch den Leiter fließen soll.

Aus der Kennlinie ist zu entnehmen, dass bei der Brennstoffzelle die Leistung bei hohen Widerständen geringer ist, als bei niedrigen. Bei einem hohen Widerstand entstehen an der Anode nicht so viele Elektronen, so dass die Leistung, die aufgebracht werden muss, um sie durch den Leiter fließen zu lassen, geringer ist. Schaltet man nun einen kleineren Widerstand in den Stromkreis ein, so entstehen mehr Elektronen. Obwohl die Arbeit eigentlich geringer seien müsste, um den Widerstand zu überwinden, ist die Leistung höher, da die Anzahl der zu transportierenden Elektronen im Verhältnis höher ist.

Der Wirkungsgrad dieser Brennstoffzelle sinkt von rund 66,67% bei Ruhespannung auf ca. 47% bei einem Widerstand von 1 Ohm Das lässt darauf schließen, dass bei einem niedrigen Widerstand mehr Energie in Form von Abwärme verloren geht, als bei einem hohen.

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