Bestimmen der erzeugten H₂‑Gasmenge über die Stromstärke
Die Stromstärke in Ampere (A) gibt an, wie viele Elektronen je Zeiteinheit durch einen elektrischen Leiter fließen. Fließt der Strom durch eine PEM‑Zelle, bildet sich aus je zwei durch die Spannungsquelle transportierten Elektronen genau ein Wasserstoffmolekül am negativen Pol der PEM‑Zelle. Die Messung der Stromstärke an der PEM-Zelle sollte also identisch mit einer sehr genauen Messung der H₂‑Gasmenge sein, die ein Inhalator aktuell erzeugt!
Als Faustregel gilt, dass jedes Ampere, das an einer PEM‑Membran fließt, ca. 6,5 bis 7 ml/min an H2-Gas freisetzt. Bei einem Zellenstapel, wie er oft verbaut wird, ist es dann ein Vielfaches dieses Wertes, wenn auch ein entsprechendes Vielfaches der Spannung an den Zellenstapel angelegt wird.
Allerdings muss zur Messung der Stromstärke das Gerät geöffnet werden, wodurch die Garantie verfällt. Mithilfe einer Strom-Messzange für Gleichstrom (!) ist die Messung aber zumindest ohne Eingriff in die Elektrik möglich. Es genügt dazu, ein Stromkabel mit einer Strom-Messzange, wie hier im Bild, zu umgreifen.
Eine echte Gasmengenmessung am geschlossenen Gerät ist hier beschrieben.
Um diese Aussage zu überprüfen, habe ich einen 300-ml-Inhalator der Firma AUKEWEL aus China geöffnet, die PEM-Zelle von der Steuerung abgeklemmt und direkt mit einem Labornetzteil betrieben, welches in der Lage ist, die erforderlichen, sehr hohen Stromstärken direkt an die PEM-Zelle zu liefern.
Für jede am Labornetzteil eingestellte Stromstärke habe ich dann (so wie hier beschrieben) die Zeit in Minuten gestoppt, die es braucht, um einen Liter Wasser aus einer im Wasser eingetauchten Getränkeflasche durch H₂‑Gas zu verdrängen. Daraus habe ich berechnet, welche H₂‑Gasmenge der Inhalator in Abhängigkeit von der Stromstärke in A liefert. Die Messergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgelistet und als Diagramm aufgetragen:
Mein billiges Labornetzteil erlaubt nur die Einstellung und Ablesung von Volt und Ampere auf eine Nachkommastelle genau, aber der lineare Zusammenhang von Ampere und Liefermenge in ml/min ist sehr deutlich erkennbar. Als Mittelwert aus den 7 Messwerten ergibt sich, dass bei diesem Inhalator jedes Ampere an Stromstärke ca. 15,8 ml/min an H2-Gas je Minute erzeugt.
Zur Überprüfung der Messung habe ich im Vergleich dazu auch noch einen weiteren 300‑ml-Inhalator mit einer schlechten (defekten) PEM-Zelle in gleicher Weise vermessen. Statt der 300 ml/min im Neuzustand erreichte der Inhalator kaum noch 100 ml/min.
Bei diesem Inhalator liegt der ermittelte Kennwert bei 15,2 ml/min je A und stimmt damit im Rahmen meiner ungenauen Messung immer noch ganz gut mit der effektiven PEM-Zelle überein.
Dieser so ermittelte Kennwert von ca. 15,5 ml/min je A sollte für diesen Inhalator also unabhängig vom Erhaltungszustand der PEM-Zelle gelten. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen dem Strom in Ampere und dem H₂‑Gasstrom in ml/min für den verbauten Membran-Typ in der Zelle. Je nach Erhaltungszustand der PEM-Zelle variiert aber die elektrische Spannung, die erforderlich ist, um die gleiche Stromstärke durch die PEM-Zelle zu erreichen. Weniger effektive oder "abgenutzte" PEM-Zellen verbrauchen also mehr Watt, um damit die gleiche Menge an H₂‑Gas zu erzeugen.
Durch die PEM-Zelle von einem Inhalator, der 300 ml/min an H₂‑Gas erzeugt, fließen also ca. 20 A bei 15 Volt und alleine für die Aufspaltung des Wassers werden schon ca. 300 W benötigt. Durch Verluste bei der Stromwandlung, den Stromverbrauch der Elektronik, und die Erhitzung der PEM-Zelle ist der Stromverbrauch des Inhalators insgesamt noch deutlich höher.
Und hier eine Bauanleitung, wie ein Ampere-Messgerät in einen Inhalator integriert werden kann …
