Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Mathematik. Praktikum Dezentrale Energiesysteme. DEZ 1 Brennstoffzellen

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1 Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Mathematik Praktikum Dezentrale Energiesysteme DEZ 1 Brennstoffzellen Lehrgebiet Regenerative Energiesysteme und Elektrotechnik Prof.-Dr.-Ing. Jens Haubrock

2 Inhalt 1 Einleitung Grundprinzip der PEM Brennstoffzelle Aufbau Funktionsweise Spannungs-Strom-Kennlinie Wirkungsgrad der Brennstoffzelle Versuchsdurchführung Aufnahme der U-J-Kennlinie Versuchsauswertung Darstellen der U-J-Kennlinie... 9

3 Einleitung 1 Einleitung Derzeit wird weltweit der Großteil an Energie durch fossile Brennstoffe, wie Kohle, Erdöl und Erdgas erzeugt. Da diese Quellen nicht unbegrenzt vorhanden sind und die Erzeugung von Energie einen hohen Schadstoffausstoß mit sich bringt, wird nach Alternativen zur konventionellen Energieerzeugung gesucht. Erneuerbare Energien wie Wind, Solar und Wasser stellen die Lösung für eine CO 2 -freie und unerschöpfliche Energiegewinnung dar. Deswegen wird der Ausbau regenerativer Energien weiter vorangetrieben. Die Abhängigkeit vom Wetter und damit eine Unregelmäßige Energieerzeugung stellt die Energiekonzerne aber vor eine weitere Aufgabe und die Frage: Wie kann man Energie am sinnvollsten speichern? Eine Möglichkeit ist die Speicherung von Energie in Wasserstoff. Hierbei wird durch eine chemische Reaktion mit Sauerstoff elektrische Energie frei. Dieses Prinzip entdeckte Christian Friedrich Schönbein bereits Drei Jahre später entwickelte Sir William Grove die erste Brennstoffzelle (Gaszelle) durch Reihenschaltung mehrerer Einzelzellen. Durch die Entdeckung des elektrodynamischen Prinzips und den Bau großer Generatoren, geriet die Brennstoffzelle vorerst in Vergessenheit. Die ersten Anwendungen der Brennstoffzelle ergaben sich erst in den Sechzigern des 2. Jahrhunderts in der Raumfahrt und beim Militär in Unterseebooten. Aufgrund ihrer Vorteile wie, z.b. : hoher elektrischer Wirkungsgrad in weiten Lastbereichen (einige mw bis mehrere MW) bei Wasserstoffbetrieb keine Emissionen Bei Einsatz von Kohlenwasserstoffen und einer vorgelagerten Brennstoffaufbereitung nur sehr geringe Emissionen hoher Gesamtwirkungsgrad bei Abwärmenutzung einfache Leistungsanpassung durch modularen Aufbau mechanisch einfache Systeme ohne bewegte Teile eine hohe Energiedichte [J/kg] geräuscharmer Betrieb können Brennstoffzellen bald aber eine wesentliche Rolle im stationären sowie mobilen Einsatz spielen, wie z.b. zur dezentralen Energieversorgung eines Hauses oder beim Antrieb eines Pkws. In diesem Versuch werden Ihnen praktische Erfahrungen mit der Polymermembran-Brennstoffzelle vermittelt. Sie erlernen grundlegendes Wissen über den Aufbau und die Funktionsweise von Brennstoffzellen und erfassen die Abhängigkeit von den einzelnen Betriebsparametern der PEMFC bei der Stromerzeugung. Seite 1

4 Grundprinzip der PEM Brennstoffzelle 2 Grundprinzip der PEM Brennstoffzelle Die Brennstoffzelle nutzt die Reaktionsenergie die entsteht, wenn ein zugeführter Brennstoff (z.b. Wasserstoff) auf ein Oxidationsmittel (Sauerstoff/Luft) stößt und wandelt dieses in elektrische Energie um. Da der Prozess einer Verbrennungsreaktion ähnelt, aber keine Verbrennung im eigentlichen Sinne stattfindet, bezeichnet man es als kalte Verbrennung. 2.1 Aufbau Wie in Abbildung 2.1 zu sehen, besteht die PEM Brennstoffzelle aus 2 Elektroden, die durch eine Polymerelektrolytmembran voneinander getrennt sind. Abbildung 2.1 Darstellung des Prinzips der Brennstoffzelle Das Herzstück der PEMFC (engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cell) ist die Membran-Elektroden Einheit (MEE). Sie besteht aus einer protonenleitfähigen Kunstoffmembran die mit den Elektroden verpresst wird. Die aus dünnen Kohlenstoffpapier bestehenden Elektroden sind mit einer feinen Platinschicht besprüht. Das Platin dient hierbei als Katalysator. Für eine Optimale Verteilung und Heranführung der beiden Reaktionsgase, werden zusätzlich noch sogenannte Gasdiffusionslagen an die Elektrotden angepresst. Die ganze Einheit ist von Bipolarplatten umschlossen. Sie dienen der elektrischen Kontaktierung von Anode und Kathode benachbarter Zellen beim bilden eines Stack und sind zusätzlich für die Zufuhr der Reaktionsgase und Abfuhr der Reaktionsprodukte zuständig (siehe Abbildung 2.2). Da die Polymermembran durch das Verpressen, teilweise in die poröse Elektrodenstruktur hineinragt, entsteht an dieser Stelle eine Drei-Phasen-Grenzfläche. Dort findet die Reaktion zwischen Gas, Wasser und dem Katalysator statt. Seite 2

5 Grundprinzip der PEM Brennstoffzelle Abbildung 2.2 Schematischer Aufbau einer PEMFC 2.2 Funktionsweise Bei der PEMFC wird einer Elektrode (Anode) Wasserstoff zugeführt. Der Katalysator oxidiert das Wasserstoffmolekül in 2 Wasserstoffionen und 2 Elektronen. 2 2 (1) Die an der Wasserstoffelektrode erzeugten Protonen können nun in den Elektrolyten übertreten und hinterlassen Elektronen in der Anode, die dadurch ein negatives Potenzial annimmt. Der Sauerstoff wird der Kathode zugeführt und bildet mit den Wasserstoffprotonen und den im Platin vorhandenen Elektronen Wasser. Die Kathode nimmt nun ein positives Potential an. Verbindet man die beiden Elektroden, fließen die Elektronen von der Anode zur Kathode. Dort dissoziieren die Sauerstoffmoleküle (O 2 ) und nehmen die Elektronen der Anode auf (Reduktion). Die Sauerstoffionen können mit den Protonen des Elektrolyten zu Wasser (H 2 O) reagieren (2) Um die elektrische Arbeit nutzen zu können, werden Anode und Kathode an einen elektrischen Verbraucher angeschaltet. Die nun freiwerdende Energie liegt in Form von Wärme und Elektrizität vor. Als Gesamtreaktion ergibt sich: 1 2 (3) Der Stoff- und Energieumsatz lässt sich über den Massenstrom von Wasserstoff und Sauerstoff oder durch die elektrische Belastung beeinflussen. Die gelieferte Spannung ist vom Brennstoff, von der Qualität der Zelle und von der Temperatur abhängig und liegt theoretisch bei 1,23V bei einer Temperatur von 25 C. In der Praxis liegen die Spannungen jedoch, abhängig von der Belastung der Zelle, etwa bei,9v bis 1V. Für größere Spannungen werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet (Stack). Seite 3

6 Grundprinzip der PEM Brennstoffzelle 2.3 Spannungs-Stromdichte-Kennlinie Abbildung 2.3 zeigt die Abhängigkeit der Spannung von der Stromdichte. In der U-J-Kennlinie sind die einzelnen Spannungsverluste gut zu erkennen. Im Folgenden werden diese Verluste näher erklärt. Abbildung 2.3 U-J-Kennlinie der PEMFC Reversible Zellspannung: Durch die Reaktion des in der Brennstoffzelle umgesetzten Wasserstoffes entsteht Wärme- bzw. Elektrische Energie, dies wird als freie Reaktionsenthalpie ΔH bezeichnet. Könnte man die ganze Reaktionsenthalpie in Elektrizität umwandeln so könnte man mit einer Zelle eine thermoneutrale Spannung von U th = 1,481V erzeugen. (4) Seite 4

7 Grundprinzip der PEM Brennstoffzelle Da aber nicht alles in elektrische Energie umgesetzt werden kann, muss von der freien Reaktionsenthalpie die Wärmeenergie abgezogen werden. Daraus entsteht die reversible Zellspannung U Rev = 1,23V. = (5) Ruhespannungsverluste: Die Ideale Spannung U Rev liegt im Leerlauf vor. Der theoretische Wert von 1,23V wird aber nie erreicht, da Spannungsverluste z.b. bei Reaktionshemmungen oder ungenügender Gasdiffusion auftreten. Deswegen liegt die Zellspannung U im Leerlauf bei Werten zwischen,9v bis 1V. Elektrokinetischer Bereich: Ist ein Bereich in dem nur kleine Zellströme vorherrschen. Die Spannungsverluste die hierbei entstehen sind Aktivierungsverluste, die nötig sind damit die Wasserstoffmoleküle am Katalysator Elektronen abgeben und Protonen bilden. Ohmscher Bereich: Die ohmschen Verluste sind größtenteils auf den Spannungsfall an der Membran und den Kontakten der Brennstoffzelle bzw. dem Elektronenleiter zurückzuführen. Diffusionskontrollierter Bereich: Wenn der Wasserstoff- bzw. Sauerstoffgehalt abnimmt, entstehen Konzentrationsverluste. Die Spannung fällt stark ab, dieser Zustand gleicht einem Kurzschluss. U(I grenz ) = (6) 2.4 Wirkungsgrad der Brennstoffzelle Bei der Brennstoffzelle muss man zwischen den folgenden Arten der Bestimmung vom Wirkungsgrad unterscheiden: Thermodynamischer Wirkungsgrad Der thermodynamische Wirkungsgrad η th gibt das Verhältnis der maximal nutzbaren elektrischen Energie (Heizwert) zur gesamten chemischen Energie (freie Reaktionsenthalpie) an. η = G H (7) Bei den Reaktanden Wasserstoff und Sauerstoff liegt der Wirkungsgrad unter Standardbedingungen bei 83,2% mit ΔG Ho = -237,13 (flüssiges Produktwasser) und bei 94,5% mit ΔG Hu = -228,57 (gasförmiges Produktwasser). Der thermodynamische Wirkungsgrad beschreibt das System im Gleichgewichtszustand, wenn noch kein Strom fließt und ist ein rein theoretischer Wert. Seite 5

8 Grundprinzip der PEM Brennstoffzelle Elektrischer Wirkungsgrad Der elektrische Wirkungsgrad η elekt beschreibt das Verhältnis von der nutzbaren elektrischen Energie zur eingesetzten chemischen Energie. Hierbei muss die Zellspannung U zell durch die thermoneutrale Spannung U th gerechnet werden. U Δ (8) Spannungswirkungsgrad Der Spannungswirkungsgrad η U ist das Verhältnis von Zellspannung zur reversiblen Zellspannung. = = Δ (9) Stromwirkungsgrad Der Stromwirkungsgrad η I berechnet sich aus dem gemessenen Zellstrom I Zell durch dem theoretisch möglichen Strom I th. = (1) wobei = (11) und = 1+,366 (12) Gesamtwirkungsgrad Der Gesamtwirkungsgrad setzt sich aus dem Produkt der einzelnen Wirkungsgrade zusammen. = (13) Seite 6

9 Versuchsdurchführung 3 Versuchsdurchführung 3.1 Versuchsaufbau Abbildung 3.1 stellt den Versuchsaufbau für das Praktikum dar: Brennstoffzelle Operator (Versorgungseinheit) Controller Abbildung 3.1 Aufbau des Versuchstandes 3.2 Aufnahme der U-J-Kennlinie In dem ersten Versuchsteil nehmen Sie an einer elektronischen Last, die Messwerte der Spannungen und Leistung bei verschiedenen Temperaturen und unterschiedlicher Luftzufuhr auf. Hierbei ist darauf zu achten das die Messwerte in einem bestimmten Zeitintervall aufgenommen werden. Da das in den Zellen entstehende Wasser zu Spannungsfällen führt. Deswegen wird der Stack automatisch nach einiger Zeit ausgespült (purgen).tragen Sie die Werte für jede Messung in die dafür vorgesehenen Tabellen 3.1 und 3.2 ein. 1. Stellen Sie als Erstes über das Bedienteil den Temperatursollwert auf 4 und den Luftüberschuss auf λ = 1,5. Hat der Istwert der Temperatur den Sollwert erreicht, starten Sie die Messung in dem Sie den Laststrom I Last an der elektronischen Last langsam jede Minute von A-15A in 1A-Schritten steigern. Nehmen Sie hierbei für die verschiedenen Lasten die Stackspannung auf. Fahren Sie nun ebenfalls minutenweise den Laststrom um 1A von 15A-A zurück und nehmen Sie wieder die Stackspannung auf. 2. Wiederholen Sie die Selbe Messung für 4 und λ = Stellen Sie nun den Temperatursollwert auf 5 und den Luftüberschuss auf λ = 1,5. Führen Sie die gleiche Messung wie in den vorhergehenden Aufgabenpunkten durch. 4. Wiederholen Sie die Messung bei gleicher Temperatur 5 und einem Luftüberschuss von λ = 4. Ansonsten ist der Versuch wie in den vorhergehenden Aufgabenpunkten durchzuführen. Seite 7

10 Versuchsdurchführung λ= 1,5 λ= 4 I Last J Last [ma/cm²] U Stack U Stack U Zelle U Zelle [A] Tabelle 3.2 Spannung und Strom des Stack bei der Temperatur 4 C U Stack U Stack U Zelle U Zelle λ= 1,5 λ= 4 I Last J Last [ma/cm²] U Stack U Stack U Zelle U Zelle U Stack [A] Tabelle 3.3 Spannung, Strom und Leistung des Stack bei der Temperatur 52 C U Stack P Stack [W] U Zelle U Zelle Seite 8

11 Versuchsauswertung 4 Versuchsauswertung 4.1 Darstellen der U-J-Kennlinie Die Angaben der Einzelzellspannung und Stromdichte sind entscheidende Größen um Brennstoffzellen untereinander besser vergleichen zu können. Wird der von der Zelle produzierte elektrische Strom durch die aktive Fläche geteilt, erhält man die Stromdichte J. Bei dieser Brennstoffzelle ist der Wert von 1A 37,5 ma/cm². Die Einzelzellspannung kann man ermitteln, indem man die Stackspannung durch die Anzahl der Module z = 42 teilt. 1. Stellen Sie die Einzelzellspannungen in Abhängigkeit von der Stromdichte in den dafür vorgesehenen Diagrammen 4.1 bis 4.4 dar. 2. Errechnen Sie die Stackleistung und stellen Sie diese in Abhängigkeit von der Stromdichte in dem Diagramm 4.5 dar. Einzelzellspannung 1,9,8,7,6,5,4,3,2, Stromdichte [ma/cm²] Diagramm 4.1 Einzelzellspannung in Abhängigkeit von der Stromdichte bei ϑ=4 C und λ = 1,5 Seite 9

12 Versuchsauswertung Einzelzellspannung 1,9,8,7,6,5,4,3,2, Stromdichte [ma/cm²] Diagramm 4.2 Einzelzellspannung in Abhängigkeit von der Stromdichte bei ϑ=4 C und λ = 4 Einzelzellspannung 1,9,8,7,6,5,4,3,2, Stromdichte [ma/cm²] Diagramm4.3 Einzelzellspannung in Abhängigkeit von der Stromdichte bei ϑ=5 C und λ = 1,5 Seite 1

13 Versuchsauswertung Einzelzellspannung 1,9,8,7,6,5,4,3,2, Stromdichte [ma/cm²] Diagramm 4.4 Einzelzellspannung in Abhängigkeit von der Stromdichte bei ϑ=5 C und λ = Leistung [W] Stromdichte [ma/cm²] Diagramm 4.5 Leistung des Stack in Abhängigkeit von der Stromdichte Seite 11