Wirkungsgrad einer Elektrolyseur-Brennstoffzellen-Anlage

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1 Wirkungsgrad einer Elektrolyseur-Brennstoffzellen-Anlage ENT Schlüsselworte Elektrolyse, Protonen-Austausch-Membran, Ladungstrennung, Wasserstoffverbrennung, Brennstoffzelle, Wirkungsgrad Prinzip Bei jeder Umwandlung von einer Energieform in eine andere treten Verluste auf. Dies trifft auch auf die Umvon Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff im Elektrolyseur zu und auf die Rückgewinnung von Wasser in der Brennstoffzelle. In diesem Versuch soll der Wirkungsgrad der gesamten Anlage bestimmt wandlung werden. Material *1 Leitungsbaustein, gerade, DB *4 Leitungsbaustein, winklig, DB *1 Leitungsbausten, unterbrochen, DB *2 Leitungsbaustein, Anschlussbaustein, DB Doppel PEM Elektrolyseur, DB Doppel PEM Brennstoffz. m. Luftopt., DB Gasspeicher auf Magnetplatte, DB Baustein mit Magnetplatte, DB Metallwinkel f. Baustein m. Magnetplatte Leitungsbaustein, winklig, mit Buchse, DB Wiederstandsdekade, DB Sicherheitshinweise Destilliertes Wasser, Schutzbrille Elektrolyseur vorbereiten Zusätzlich wird benötigt 1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell Netzgerät universal **1 Cobra4 Wireless-Manager **2 Cobra4 Wireless-Link **1 Cobra4 Sensor-Unit Energy **1 Halter für Handmessgeräte **1 Software measure für Cobra Verbindungsleitung 500 mm, rot Verbindungsleitung 500 mm, blau Verbindungsleitung 500 mm, gelb Verbindungsleitung 750 mm, rot Abb. 1: Versuchsaufbau zugeführte Energie PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 ENT Wirkungsgrad einer Elektrolyseur-Brennstoffzellen-Anlage 1 Verbindungsleitung 750 mm, blau Destilliertes Wasser 1 Schutzbrille PC, USB-Schnittstelle, Schnittstelle, XP, Vista, Win7 * In Set ENT 1 enthalten ** In Cobra4 Ergänzungsset set enthalten Hinweis Zum Füllen der Gasbehälter darf nur destilliertes (deionisiertes) Wasser verwendet werden. Die maximale Betriebsspannung des Elektrolyseurs beträgt 4 V, die maximale Stromstärke 2 A. Der Doppel PEM Elektrolyseur hat bei 4,0 V eine Stromstärke von mindestens 0,6 A (Nennwerte). Wenn die Stromstärke des Elektrolyseurs geringer ist, dann nimmt sie im Allgemeinen bei längerem Betrieb allmählich zu. Ist dies nicht der Fall, müssen die beiden Anschlüsse des Elektrolyseurs für eine Minute oder auch längere Zeit kurzgeschlossen werden. Vor der Versuchsdurchführung sollten Elektrolyseur und Brennstoffzelle etwa 5 min im Leerlauf (Schalterstellung ) ) in Betrieb sein, damit die Membranen feucht werden. Sicherheitshinweise Sauerstoff H: P: Sauerstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses brandförderndes Gas. Feuergefahr bei der Berüh- rung mit brennbaren Stoffen. Wasserstoff H: P: Wasserstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses brennbares Gas, das mit Luft leicht explosionsfähige Gemische bildet. Bei Versuchen, in denen mit Wasserstoff gearbeitet wird, muss daher auf eine gu- te Lüftung geachtet und alle Zündquellen müssen vorher entfernt werden. Schutzbrille tragen. 1. Zugeführte Energie Aufbau - Den Stromkreis für Elektrolyseur und Brennstoffzelle nach Abb. 1 aufbauen. - Das Netzgerät ist ausgeschaltet. - Die Widerstandsdekade wird auf (offen) eingestellt. - Auf die Polung des PEM Elektrolyseurs achten. - Darauf achten, dass das rote Kabel von der Brennstoffzelle mit der A -Buchse der Cobra4 Sensor-Unit Energy verbunden wird. - Die beiden Gasspeicher rechts und links neben den Stromkreis setzen und mit dem PEM Elektrolyseur über die Siliconschläuche verbinden (Abb. 2). - An das jeweils freie Ende beider Gasspeicher einen weiteren Siliconschlauch anbringen und die Schläuche mit der PEM Brennstoffzelle verbinden (Abb. 1). - Die Ausgangsstutzen der Brennstoffzelle und die Öffnung für Luftoption sind verschlossen. Abb. 2: Gasspeicher verbinden 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved

3 Wirkungsgrad Elektrolyseur-Brennstoffzellen-Anlage ENT - Gasspeicher bis zur unteren Markierung mit destilliertem Wasser füllen (Abb. 3). - Die Ausgangsstutzen der Brennstoffzelle öffnen, sodass das Wasser in den unteren Teil der Gasbehälter fließt. - Die Ausgangsstutzen wieder schließen. Durchführung - PC und Windows starten. - Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PC stecken. - Softwarepaket measure am PC starten. - Jeweils ein Cobra4 Wireless-Links mit einer Cobra4 Sensor-Unit verbinden. Nach dem Einschalten der Wireless-Links werden die Sensor-Units automatisch erkannt und es wird ihnen eine IDNummer zugewiesen, die im Display der beiden Cobra4 Wireless-link sichtbar sind. Die Kommunikation zwischen dem Cobra4 Wireless-Manager und den Cobra4 Wireless-Links wird durch die jeweilige LED Data angezeigt. - Cobra4 Wireless-Link mit angesteckter Cobra4 Sensor-Unit Energy einschalten. Die Sensor-Unit und die elektrischen Größen U, I, P und W werden als Messkanäle angezeigt. - Experiment ENT laden (Experiment>Experiment öffnen> ). Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen zur Messwertaufnahme geöffnet (Abb. 4). - Die Gasmengen in den beiden Gasspeichern zu Beginn des Versuches ablesen und notieren. - Am Netzgerät die Spannung auf 0 V und die Strombegrenzung auf 2 A einstellen. - Das Netzgerät einschalten. - Eine Spannung von 4 V einstellen. Abb. 3: Gasspeicher füllen Abb. 4: Messwertaufnahme Elektrolyseur PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 ENT Wirkungsgrad Elektrolyseur-Brennstoffzellen-Anlage - Nachdem mindestens 10 cm 3 Wasserstoff entstanden sind, die Ausgangsstutzen öffnen, um noch vorhandene Luft in der Brennstoffzelle zu verdrängen. - Die Ausgangsstutzen wieder verschließen und gleichzeitig die Messwertaufnahme in measure starten. - Die Gasspeicher beobachten. - Wenn die Wasserstoffmenge die 30 cm 3 Marke erreicht, das Netzgerät auszuschalten. - Die Messwertaufnahme in measure beenden. - Alle Messungen an das measure Hauptprogramm übertragen. Beobachtung und Messwerte Die Gasmenge der Speicher ist zu Beginn abhängig von der Genauigkeit beim Füllen der Speicher mit Wasser und variiert deshalb. Der Anfangswert für Wasserstoff beträgt 5 cm 3 und für Sauerstoff 6 cm 3. Es wird eine elektrische Arbeit von 349 Ws verrichtet. 2. Nutzbare Energie Aufbau - Die Cobra4 Sensor-Unit aus dem Stromkreis des Elektrolyseurs entfernen und in den Stromkreis der Brennstoffzelle einfügen (Abb. 5). - Darauf achten, dass das rote Kabel vom Netzgerät mit der A -Buchse der Cobra4 Sensor-Unit Energy verbunden wird. Abb. 5: Versuchsaufbau nutzbare Energie 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved

5 Wirkungsgrad Elektrolyseur-Brennstoffzellen-Anlage ENT Durchführung - Neue Messung mit Cobra4 aufrufen. Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen zur Messwertaufnahme geöffnet (Abb. 6). - Die Widerstandsdekade auf 1 Ω einstellen und gleichzeitig die Messwertaufnahme in measure starten. - Die Gasspeicher beobachten. - Wenn die Gasmengen wieder den Startwert erreichen, die Messwertaufnahme in measure beenden. - Den Widerstand wieder auf (offen) schalten. - Alle Messungen an das measure Hauptprogramm übertragen. Beobachtung Die Gasspeicher leeren sich deutlich langsamer, als sie gefüllt wurden. Bei der Verbrennung wird elektrische Arbeit von 55,1 Ws verrichtet. Auswertung Der Wirkungsgrad berechnet sich wie folgt aus dem Quotienten der elektrischen Arbeit: η Gesamt = E nutzbar E zugeführt Damit ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad von 16 %. Abb. 6: Messwertaufnahme Brennstoffzelle PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

6 ENT Wirkungsgrad Elektrolyseur-Brennstoffzellen-Anlage Anwendung Der Prozess vom Erdöl über das Benzin zum normalen Verbrennungsmotor hat einen Wirkungsgrad von etwa 20% und liegt damit in der gleichen Größenordnung wie der Wirkungsgrad einer Elektrolyseur- Brennstoffzellen-Anlage. Wasserstoff wird daher als Speicher für elektrische Energie oder zum direkten Antrieb von Fahrzeugen weiter an Bedeutung gewinnen. Die eingesetzte elektrische Energie kann umweltfreundlich aus Sonne oder Wind gewonnen werden. Wird die Nutzenergie dann zum Antrieb von Elektroautos (z. B. Brennstoffzellen-Autos) verwendet, so entstehen bei deren Betrieb keine klimaschädlichen Gase. Hinweise Korrespondenz Schülerversuche TESS EN 4.9 Wirkungsgrad einer Elektrolyseur-Brennstoffzellen-Anlage (P ) Für die Durchführung des Versuches ohne PC werden die in der Materialliste (Seite 1) aufgeführten und mit (**) gekennzeichneten Artikel durch Folgende ersetzt: Versuch P Cobra4 Mobile-Link Cobra4 Sensor-Unit Energy Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger Halter für Handmessgeräte Digitale Großanzeige Versuch P Arbeits- und Leistungsmessgerät PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved

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