Erzeugen elektrischer Energie mit einer PEM Brennstoffzelle / Solar-Wasserstoff-Anlage

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1 Erzeugen elektrischer Energie mit einer ENT Schlüsselworte Elektrolyse, Protonen-Austausch-Membran, Brennstoffzelle, Solarenergie, Wasserstoff, Energiegewinnung Prinzip Um die bei der Elektrolyse entstehenden Gase nutzen zu können wird eine Brennstoffzelle benötigt. Diese erzeugt bei Zuführung der beiden Gase eine Spannung und aus den Gasen entsteht wieder Wasser. Im ersten Versuchsteil soll qualitativ untersucht werden, wie sich ein Motor mit der Solar-Wasserstoff-Anlage betreiben lässt und ob die in der Luft enthaltenen Gase dazu genügen. Im zweiten Versuchsteil soll eine quantitative Untersuchung der Anlage folgen. Sicherheitshinweise Destilliertes Wasser, Schutzbrille Elektrolyseur vorbereiten Material *2 Leitungsbaustein, gerade, DB *4 Leitungsbaustein, winklig, DB *1 Leitungsbaustein, unterbrochen, DB *2 Leitungsbaustein, Anschlussbaustein, DB *1 Motor mit Scheibe, 5 V, DB Solarbatterie aus 4 Zellen, magn *1 Muffe auf Träger für Demo-Tafel 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 Doppelbuchsen, 1 Paar Zusätzlich wird benötigt 1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell Stativstange PASS, l=630 mm Lampenfassung E27, Reflektor, Halter Glühlampe 230 V / 120 W, mit Reflektor Abb. 1: Versuchsaufbau P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 ENT Erzeugung elektrischer Energie mit einer **1 Cobra4 Wireless-Manager **1 Cobra4 Wireless-Link **1 Cobra4 Sensor-Unit Energy **1 Halter für Cobra4, magnetisch **1 Software measure für Cobra Verbindungsleitung 250 mm, rot Verbindungsleitung 250 mm, gelb Verbindungsleitung 500 mm, blau Destilliertes Wasser Schutzbrille PC, USB-Schnittstelle, XP, Vista, Win7 * In Set ENT 1 enthalten ** In Cobra4 Ergänzungsset 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 2 min im Leerlauf in Betrieb sein, damit die Membranen feucht werden. Sicherheitshinweise Sauerstoff H: P: Sauerstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses brandförderndes Gas. Feuergefahr bei der Berührung 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 gute Lüftung geachtet und alle Zündquellen müssen vorher entfernt werden. Schutzbrille tragen. 1.qualitativer Versuch Aufbau - Die Stromkreise für Elektrolyseur und Brennstoffzelle nach Abb. 1 aufbauen. - Auf die Polung des PEM Elektrolyseurs achten. Die in Reihe geschalteten Solarbatterien so an den Elektrolyseur anschließen, dass der rote Stecker mit dem positiven Pol des Elektrolyseurs verbunden wird und der blaue Stecker mit dem negativen Pol. - Die beiden Gasspeicher rechts und links neben den Stromkreis setzen und mit dem PEM Elektrolyseur über die Siliconschläuche verbinden (Abb. 2). Abb. 2: Gasspeicher verbinden 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

3 Erzeugen elektrischer Energie mit einer ENT - An das jeweils freie Ende beider Gasspeicher einen weiterer Schlauch anbringen und mit einer Schlauchklemme verschließen. - Gasspeicher bis zur unteren Markierung mit destilliertem Wasser füllen (Abb. 3). - Schläuche nach oben halten und Schlauchklemmen öffnen, sodass das Wasser in den unteren Teil der Gasbehälter fließt. - Die Schlauchklemmen schließen. - Die Schläuche mit den Eingangsstutzen der Brennstoffzelle verbinden (Abb. 1). - Darauf achten, dass der Gasspeicher am negativen Pol des Elektrolyseurs mit der Seite für H 2 der Brennstoffzelle verbunden ist und der Gasspeicher an der positiven Seite mit O 2. - Die Ausgangsstutzen der Brennstoffzelle sind offen und die Öffnung für Luftoption sind verschlossen. - Über den Solarbatterien an der oberen Kante der Tafel die Muffe auf Träger sorgfältig festschrauben und darin die Stativstange PASS befestigen und die Lampe haltern (Abb. 4). - Der Abstand zwischen der Mitte der Solarbatterien und der Vorderseite der Lampe soll ca. 35 cm betragen. - Die Lampe ist ausgeschaltet. Abb. 3: Gasspeicher füllen Abb. 4: Aufbau Lampe Durchführung - Die Lampe oder die Solarbatterien so ausrichten, dass der Lichtkegel beide Solarbatterien in gleichem Maße, möglichst senkrecht trifft. - Lampe einschalten. - Den Elektrolyseur beobachten und die Beobachtungen notieren. - Sind beide Gasspeicher mit mindestens 10 cm 2 Gas gefüllt, soll zuerst die Schlauchklemme an der Sauerstoffseite der PEM Brennstoffzelle geöffnet werden. - Den Motor beobachten. - Die Luftoption der Brennstoffzelle öffnen. - Den Motor beobachten. - Die Schlauchklemme an der Wasserstoffseite der PEM Brennstoffzelle öffnen. - Weiter den Motor beobachten. - Lampe ausschalten und den Motor weiter beobachten. - Schlauchklemmen schließen. Beobachtung Mit dem Einschalten der Lampe entstehen im PEM Elektrolyseur Gasblasen, die durch die Schläuche zu den Gasbehältern gelangen. Dies geschieht zwar langsam aber stetig. Beim Öffnen der Schlauchklemme für Sauerstoff bewegt sich der Motor nicht. Der Gasbehälter leert sich schnell. Beim Öffnen der Schlauchklemme für Wasserstoff beginnt der Motor zu rotieren. Der Gasbehälter leert sich schnell. Auch wenn die Lampe bereits ausgeschaltet ist rotiert der Motor weiter. Erst einige Sekunden später beginnt der Motor langsamer zu werden, bis er zum Stillstand kommt. P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 ENT Erzeugung elektrischer Energie mit einer Auswertung Die beiden Solarbatterien erreichen unter Last zusammen keine Spannung von 4 V, wodurch der Elektrolyseur nicht mit voller Leistung arbeitet. Trotzdem reicht die Spannung aus um Wasser zu trennen. Eine Brennstoffzelle benötigt Wasserstoff und Sauerstoff, um elektrische Energie erzeugen zu können. Der Wasserstoffanteil in der Luft beträgt lediglich 3 %. Der Sauerstoffanteil in Luft beträgt hingegen 21 %, weshalb die Brennstoffzelle mit Wasserstoff aus der Luft keine ausreichende elektrische Energie liefert, um den Motor zu betreiben, auch wenn reiner Sauerstoff aus den Gasspeichern verwendet wird. Beim Öffnen der Schlauchklemme für Wasserstoff hingegen wird reiner Wasserstoff der Brennstoffzelle zugeführt und der Sauerstoffanteil aus der Luft reicht aus um genug elektrische Energie zu erzeugen, sodass der Motor zu rotieren beginnt. Da ein Teil des Gases in den Schläuchen zurück bleibt und nicht völlig entweicht läuft der Motor noch einige Zeit nach. 2.quantitativer Versuch Aufbau - Einen der beiden geraden Leitungsbausteine gegen einen unterbrochenen austauschen. - Zwischen Brennstoffzelle und Motor die Cobra4 Sensor-Unit Energy schalten (Abb. 5). - Darauf achten, dass das rote Kabel von der Brennstoffzelle mit der ma -Buchse der Cobra4 Sensor- Unit Energy verbunden wird. Abb. 5: quantitativer Versuchsaufbau 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

5 Erzeugen elektrischer Energie mit einer ENT Durchführung - PC und Windows starten. - Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PC stecken. - Softwarepaket measure am PC starten. - Cobra4 Wireless-Link mit der Cobra4 Sensor-Unit verbinden. Nach dem Einschalten wird die Sensor-Unit automatisch erkannt und dem Cobra4 Wireless-Link wird eine ID-Nummer zugewiesen, die im Display sichtbar ist. Die Kommunikation zwischen dem Cobra4 Wireless Manager und dem Cobra4 Wireless-Link wird durch die 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. 6). - Lampe einschalten. - Warten, bis einer der beiden Gasspeicher mindestens 10 cm 3 Gas enthält. - Lampe ausschalten. - Messwertaufnahme in measure starten. - Schlauchklemme auf der Sauerstoffseite der Brennstoffzelle öffnen. - Messkurve und Motor beobachten. - Schlauchklemme auf der Wasserstoffseite der Brennstoffzelle öffnen. - Messkurve und Motor beobachten. - Wenn die Leistung auf Null herabfällt die Schlauchklemme auf der Wasserstoffseite wieder schließen und anschließend den Schlauch mit Daumen und Zeigefinger kurz vor der Brennstoffzelle zusammendrücken. Abb. 6: Messwerterfassung P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

6 ENT Erzeugung elektrischer Energie mit einer - Messkurve und Motor beobachten. - Messwertaufnahme in measure beenden. - Alle Messungen an das measure Hauptprogramm übertragen. Beobachtung Beim Öffnen der Schlauchklemme auf der Sauerstoffseite läuft der Motor nicht. Öffnet man hingegen die Klemme an der Wasserstoffseite, so erkennt man Folgendes: Die Spannung bleibt konstant, die Stromstärke unterliegt aber Schwankungen. Zu Beginn entsteht ein deutlicher Leistungspeak. Weiter steigt die Leistung noch einmal an, wenn man den Schlauch zusammendrückt. Auswertung Verwendet man die Funktion Vermessen, so kann man feststellen, dass der Motor eine Leistung von 22 mw hat, wenn er mit der Brennstoffzelle betrieben wird. Die Schwankungen in den Werten entstehen durch Reibung im Motor und der Peak zu Beginn entsteht durch die erhöhte Anfangsleistung, die der Motor zum Anlaufen benötigt, um die Reibung zu überwinden. Wird der Schlauch zusammengedrückt, so bewegt sich das Gas, welches noch im Schlauch verblieben ist, zur Brennstoffzelle. Dadurch entsteht kurzzeitig eine messbare elektrische Leistung, wodurch der Motor wieder ein paar Sekunden läuft. Anwendung Die Speicherung von Solarenergie ist nötig, da sie nicht rund um die Uhr zur Verfügung steht. Als Speichermedium könnte in Zukunft Wasserstoff dienen. Er wird in Druckspeichern, Kryogenspeichern oder Metallhydridspeichern aufbewahrt. Die Energie der Sonne wird tagsüber z. B. mit Hilfe von Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt und zur Trennung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff genutzt. Wenn Energie benötigt wird, kann der Wasserstoff mit Hilfe einer Brennstoffzelle wieder elektrische Energie und Wasser umgewandelt werden. Abb. 7: Messauswertung 6 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

7 Erzeugen elektrischer Energie mit einer ENT Hinweise Korrespondenz Schülerversuche TESS EN 4.2 Erzeugung elektrischer Energie mit einer PEM Brennstoffzelle (P ) Solar-Wasserstoff-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 Analog-Demomultimeter ADM P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 7

8 ENT Erzeugung elektrischer Energie mit einer Raum für Notizen 8 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P