Strom-Spannungs-Kennlinie einer PEM Brennstoffzelle

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1 Lehrer-/Dozentenblatt Strom-Spannungs-Kennlinie einer PEM Brennstoffzelle Aufgabe und Material Lehrerinformationen Zusatzinformationen Eine PEM Brennstoffzelle besitzt keine lineare Leistungskurve, sondern erreicht bei einer bestimmen Stromstärke ein Leistungsmaximum. In der Praxis möchte man besonders die Stromstärke verwenden, bei der die Brennstoffzelle am meisten Leistung zur Verfügung stellt. Brennstoffzellen werden, um höhere Leistungen zu erzielen, zu größeren Stapeln (Brennstoffzellen-Stacks) zusammengeschaltet. Um ein Maximum an Leistung zu erreichen ist es wichtig, dass jede einzelne Brennstoffzelle optimal betrieben wird. Die PEM Brennstoffzelle erreicht in der Anwendung eine geringere Ruhespannung als theoretisch vorhergesagt. Dies kommt, ähnlich wie beim PEM Elektrolyseur, aus Verlusten innerhalb des Prozesses in der Brennstoffzelle. Ausschlaggebend sind unter anderem das verwendete Material der Elektroden, der Innenwiderstand und weitere Faktoren. Hinweise zu Aufbau und Durchführung Elektrolyseur und Brennstoffzelle sind anhand der Farbmarkierung zu unterscheiden. Der Elektrolyseur ist blau, die Brennstoffzelle rot. Die zulässige Spannung für den Elektrolyseur beträgt bis zu 2 V und die zulässige Stromstärke bis zu 2 A. Es ist darauf zu achten, dass die beiden Öffnungen auf jeder Seite des Elektrolyseurs und der Brennstoffzelle nach dem Versuch wieder mit je einem Schlauch verbunden werden, damit die Membranen nicht austrocknen. Siehe dazu Abb. 1 im Aufbau. Achtung: Für Versuche mit dem Elektrolyseur und der Brennstoffzelle darf ausschließlich destilliertes Wasser genutzt werden, da sonst der Elektrolyseur und die Brennstoffzelle zerstört werden.

2 Strom-Spannungs-Kennlinie einer PEM Brennstoffzelle Aufgabe und Material Aufgabe Wann gibt eine PEM Brennstoffzelle besonders viel Leistung ab? In diesem Versuch wird die Strom-Spannungs-Kennlinie einer PEM Brennstoffzelle aufgenommen und untersucht, bei welchem abgegebenen Strom die meiste Leistung abgegriffen werden kann.

3 Material Position Material Bestellnr. Menge 1 Verbindungsleitung, 32 A, 500 mm, rot Verbindungsleitung, 32 A, 500 mm, blau Verbindungsleitung, 32 A, 250 mm, rot Verbindungsleitung, 32 A, 250 mm, blau Leitungs-Baustein, winklig, SB Leitungs-Baustein, Anschlussbaustein, SB Leitungs-Baustein, unterbrochen, SB Leitungs-Baustein, gerade, SB Becherglas DURAN, niedrige Form, 400 ml Gasspeicher, SB, inkl. Klemmen und Schläuche PEM Brennstoffzelle mit Luftoption, SB PEM Elektrolyseur, SB PHYWE Netzgerät DC: V, 2 A / AC: 6 V, 12 V, 5 A Digitalmultimeter, 3 1/2-stelliges Display, mit NiCr-Ni Thermoelement Potentiometer 250 Ohm, SB Zusätzliches Material Destilliertes Wasser Schutzbrille

4 Aufbau und Durchführung Aufbau H: 220 / 270 P: 210 / 220 Sauerstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses brandförderndes Gas. Feuergefahr bei der Berührung mit brennbaren Stoffen. Wasserstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses brennbares Gas, das mit Luft leicht explosionsgefährliche Gemische bildet. Bei Versuchen, in denen mit Wasserstoff gearbeitet wird, müssen alle Zündquellen vorher entfernt werden. Schutzbrille tragen. Aufbau Stecke die beiden Leitungsbausteine mit Anschlussbuchse, sowie die zwei Gasspeicher und den blau gekennzeichneten PEM- Elektrolyseur wie in Abb. 1 zusammen. Abb. 1 Verbinde beide Gasspeicher mit dem PEM-Elektrolyseurs durch je zwei Schläuche. Bringe an das noch freie Ende am Gasspeicher ebenfalls einen Schlauch an und klemme diesen mit je einer Schlauchklemme ab (Abb. 2).

5 Abb. 2 Baue den Stromkreis für die Brennstoffzelle, das Potentiometer und die Leitungsbausteine wie in Abb. 3 zusammen. Achte auf die Pole. Abb. 3 Verbinde nun beide Bauelemente. Kontrolliere die Pole der einzelnen Bausteine. Links der Brennstoffzelle und des Elektrolyseurs müssen die gleichen Pole sein, genauso wie Rechts. Drehe die Brennstoffzelle gegebenenfalls um. Lass dir etwa 150 ml destilliertes Wasser in dein 400-ml-Becherglas füllen. Fülle damit beide Gasspeicher von oben bis zur unteren Markierung (Abb. 4). Achtung: Ausschließlich destilliertes Wasser verwenden.

6 Abb. 4 Öffne die Schlauchklemmen, damit das Wasser nach unten in den Speicher fließt. Dabei soll das freie Schlauchende leicht in die Höhe gehalten werden um Verschütten von Wasser zu vermeiden (Abb. 5). Abb. 5 Entferne die Schlauchklemmen und schließe die freien Schlauchenden an die Brennstoffzelle an (Abb. 6). Die zwei zusätzlichen Schläuche sollen verhindern, dass eventuell austretendes Wasser zu den Kontakten gelangt.

7 Abb. 6 Schließe die Leitungsbausteine mit Anschlussbuchse entsprechend der Polung am Elektrolyseur (Abb. 7) an die Gleichspannungsbuchsen des Netzgerätes. Abb. 7 Ein Amperemeter wird wie in Abb. 8 in den Stromkreis eingebunden. Parallel zur Spannungsquelle wird ein Voltmeter geschaltet (Abb. 9). Stelle das Voltmeter auf den Messbereich 20 V- und das Amperemeter auf 20 A-. Das Netzteil ist ausgeschaltet. Abb. 8 Abb. 9

8 Durchführung Drehe den Stellknopf am Netzgerät für die Spannung sowie den Stellknopf am Potentiometer für den Widerstand ganz nach links. Schalte das Netzgerät ein und drehe den Stellknopf für die Stromstärke ganz nach rechts auf 2 A. Stelle die Spannung Uauf 2 V. Lasse den Elektrolyseur etwa eine Minute arbeiten, damit die im System verbliebene Luft durch die Brennstoffzelle entweichen kann. Erhöhe langsam durch Drehen des Stellknopfes am Potentiometer den Widerstand und lies die zugehörigen Werte für die Spannung Uund die Stromstärke Iab, trage sie anschließend in Tabelle 1 ein. Versuche, den Widerstand so zu verändern, dass du die Messwerte in Abständen von etwa 0,05 V aufnimmst. Nimm 12 verschiedene Messwerte auf. Entleerung des Gasspeicher: Entferne die Kabel und Leitungsbausteine bei ausgeschaltetem Netzteil. Vergewissere Dich, dass die Schlauchklemmen geschlossen sind und fasse mit je einer Hand je einen Gasspeicher. Der Elektrolyseur wird nicht entfernt. Hebe einen der beiden Gasspeicher über das Becherglas und kippe den Inhalt über eine Ecke aus (Abb. 11). Abb. 11 Verfahre mit dem zweiten Gasspeicher genauso.

9 Protokoll: Strom-Spannungs-Kennlinie einer PEM Brennstoffzelle Ergebnis - Tabelle 1 Notiere deine Messwerte in der Tabelle. Berechne anschließend anschließend die zugehörige Leistung und trage sie in die Tabelle ein. U in V I in A P in W 0,25 0 1,74 0 0,44 0 0,30 0 1,57 0 0,47 0 0,35 0 1,37 0 0,48 0 0,40 0 1,17 0 0,47 0 0,45 0 0,97 0 0,44 0 0,50 0 0,81 0 0,41 0 0,55 0 0,65 0 0,36 0 0,60 0 0,48 0 0,29 0 0,65 0 0,29 0 0,19 0 0,70 0 0,15 0 0,11 0 0,75 0 0,07 0 0,05 0 0,80 0 0,01 0 0,01 0

10 Number Strom - Spannung Leistung - Strom 0.7 U in V / P in W I in A Auswertung - Frage 1 (10 Punkte) Beschreibe die aufgetragene Strom-Spannungs-Kennlinie der PEM Brennstoffzelle. Versuche, das Diagramm zu interpretieren.

11 Auswertung - Frage 2 (10 Punkte) Im Diagramm ist ebenfalls die Leistungskurve der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von der Stromstärke dargestellt. Wann ist die abgegebene Leistung am größten?