Wie ist das Verh\u00e4ltnis zwischen Stromst\u00e4rke, Spannung und Wasserstoffmenge? Und wie h\u00e4ngen diese Gr\u00f6\u00dfen mit dem Wirkungsgrad der Elektrolyse zusammen?<\/p>\n\n\n\n
Ein einfacher Weg zur Bestimmung der hergestellten Wasserstoffmenge bei der Elektrolyse liegt in der Anwendung der faradayschen Gesetze. Diese beschreiben im Allgemeinen den Zusammenhang zwischen elektrischer Ladung und Stoffumsatz bei elektrochemischen Reaktionen wie der Elektrolyse.<\/p>\n\n\n\n
Die zur Spaltung des Wassers ben\u00f6tigte Ladung entspricht der Multiplikation der Ladungszahl z, der Stoffmenge n in Mol, sowie der faradayschen Konstante F:<\/p>\n\n\n\n
Q = n * z * F<\/em><\/p>\n\n\n\n Wird nun die Ladung Q durch Stromst\u00e4rke I pro Zeit t ersetzt, kann nach Umstellung die folgende Formel verwendet werden:<\/p>\n\n\n\n n = ( I * t ) \/ ( z * f )<\/em><\/p>\n\n\n\n Nun k\u00f6nnen alle fehlenden Werte und Konstanten eingesetzt werden, es ergibt sich:<\/p>\n\n\n\n ( 1 A * 1 s ) \/ ( 2 * 96 485309 As\/mol ) = 5,182 * 10-6<\/sup> mol\/As<\/em><\/p>\n\n\n\n Es entsteht also pro Amperestunde eine Menge von 0,418 Litern an Wasserstoff:<\/p>\n\n\n\n 5,182 * 10-6<\/sup> mol\/As * 22,414 Nl\/mol * 3600 s\/h = 0,418 Nl\/Ah<\/em><\/p>\n\n\n\n F\u00fcr ein Kilogramm Wasserstoff m\u00fcssen also ca. 4650 Ah aufgewendet werden.<\/p>\n\n\n\n ( 1000 g \/ 0,0899 g\/l ) * 0,418 Nl\/Ah = 4649,61 Ah<\/em><\/p>\n\n\n\n Die Berechnung gilt hierbei jeweils f\u00fcr eine Zelle eines Stacks. Pro Zelle muss theoretisch eine Spannung von mindestens 1,23 Volt anliegen (Zersetzungsspannung). In der Praxis ergibt sich oft eine h\u00f6here Spannung. Bei der PEM Elektrolyse liegt diese \u00fcblicherweise zwischen 1,7 V und 2,2 V pro Zelle. Vereinfacht gesprochen kann diese \u00dcberspannung durch vier Faktoren ver\u00e4ndert\/verursacht werden:<\/p>\n\n\n\n Die zus\u00e4tzlich aufgebrachte \u00dcberspannungsenergie kann leider nicht zum Stoffumsatz beitragen, da sie als W\u00e4rme verloren geht. Zus\u00e4tzlich verlangsamt dieser Energieverlust den Elektrolyseprozess.<\/p>\n\n\n\n Die in der Zelle geflossene Ladungsmenge <\/strong>(z.B. in Amperestunden) ist proportional zur erzeugten Wasserstoffmenge, und das weitestgehend wirkungsgradunabh\u00e4ngig. Die an der Zelle anliegende Spannung <\/strong>(Volt), und somit auch die aufgewendete Energie <\/strong>(z.B. in kWh) ist von verschiedenen Faktoren abh\u00e4ngig, was letztendlich den Wirkungsgrad der Elektrolysezelle bestimmt.<\/strong><\/p>\n\n\n\n Der Systemwirkungsgrad einer industriellen Elektrolyseanlage ist dabei nochmals niedriger als der reine Wirkungsgrad des Stacks, da zus\u00e4tzlich der Verlust durch weitere Anlagenbestandteile ber\u00fccksichtigt werden muss (z.B. Pumpen, K\u00fchlung\/Heizung, Wasseraufbereitung, MSR, \u2026).<\/p>\n\n\n\n Hinweis: Die Ladungszahl des atomaren Wasserstoffs ist 1, jedoch werden immer zwei H ben\u00f6tigt um ein Wasserstoffmolek\u00fcl (H2) zu formen. Daher m\u00fcsste in der Theorie mit z = 1 gerechnet werden und die gesamte Gleichung anschlie\u00dfend durch zwei geteilt werden. Dieser Schritt wird hier zur Vereinfachung direkt ausgef\u00fchrt.<\/p>\n\n\n\nSpannung<\/h2>\n\n\n\n
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Fazit<\/h2>\n\n\n\n