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 transportierte 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!
Allerdings muss dazu 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 in Bild, zu umgreifen.
Eine echte Gasmengen-Messung 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 ein 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 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.
Hier liegt der ermittelte Kennwert von 15,2 ml/min je A stimmt damit trotz sehr ineffektiver PEM-Zelle im Rahmen meiner ungenauen Messung mit effektiven PEM-Zelle überein.
Dieser so ermittelte Kennwert von ca. 15,5 ml/min je A sollte also unabhängig vom Erhaltungszustand der PEM-Zelle gelten. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen dem Strom im 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 und alleine die Aufspaltung des Wassers werden schon ca. 100 Watt benötigt. Durch Verluste bei der Strom-Wandlung, den Stromverbrauch der Elektronik, und vor allem die Erhitzung der PEM-Zelle (durch Blindstrom?) ist der Stromverbrauch des Inhalators insgesamt noch deutlich höher.