Faradayscher und energetischer Wirkungsgrad einer PEM Brennstoffzelle

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1 Faradayscher und energetischer Wirkungsgrad ENT Schlüsselworte Wasserstoffverbrennung, Brennstoffzelle, Protonen- Austausch-Membran, Ladungstrennung, Wirkungsgrad, faradaysche Gesetze, universelle Gaskonstante Prinzip Elektrolyseur vorbereiten Auch Brennstoffzellen weisen Verluste auf, wodurch nicht 100 % der Gase in elektrische Energie umgewandelt werden können. In diesem Versuch soll der Wir- Sicherheitshinweise kungsgrad der PEM Brennstoffzelle ermittelt werden, wobei dies auf zwei verschiedene Arten geschehen soll. Im ersten Versuchsteil wird der energetische Wirkungswelcher ein Verhältnis zwischen im Gas grad bestimmt, gespeicherter Energie und davon elektrisch nutzbarer Energie darstellt und danach wird der faradaysche Wirkungsgrad untersucht, welcher ein Verhältnis zwischen der real verbrauchten Gasmenge und dem theoretisch errechneten Wert darstellt. 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 Destilliertes Wasser, Schutzbrille 2 Metallwinkel f. Baustein m. Magnetplatte Leitungsbaustein, winklig, mit Buchse, DB Wiederstandsdekade, DB Zusätzlich wird benötigt 1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell Netzgerät universal **1 Cobra4 Wireless-Manager Abb. 1: Versuchsaufbau P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 ENT Faradayscher und energetischer Wirkungsgrad **2 Cobra4 Wireless-Link **1 Cobra4 Sensor-Unit Energy **1 Cobra4 Sensor-Unit 2x Temperatur, NiCr-Ni **2 Halter für Handmessgeräte **1 Tauchfühler, NiCr-Ni, Edelstahl, C **1 Software measure für Cobra Verbindungsleitung 500 mm, rot Verbindungsleitung 500 mm, blau Verbindungsleitung 500 mm, gelb Verbindungsleitung 750 mm, rot Verbindungsleitung 750 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 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 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. 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 Abb. 2: Gasspeicher verbinden 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

3 Faradayscher und energetischer Wirkungsgrad ENT Luftoption sind verschlossen. - 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. 1. Energetischer Wirkungsgrad Durchführung - PC und Windows starten. - Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PC stecken. - Softwarepaket measure am PC starten. Abb. 3: Gasspeicher füllen - 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 Teil 1 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. Abb. 4: Messwerterfassung energetischer Wirkungsgrad P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 ENT Faradayscher und energetischer Wirkungsgrad - Am Netzgerät die Spannung auf 0 V und die Strombegrenzung auf 2 A einstellen. - Das Netzgerät einschalten. - Eine Spannung von 4 V einstellen. - Nachdem mindestens 10 cm 3 Wasserstoff entstanden sind die Ausgangsstutzen öffnen, um noch vorhandene Luft in der Brennstoffzelle zu verdrängen. - Die Ausgangsstutzen utzen wieder verschließen. - Wenn der Wasserstoffspeicher auf der negativen Seite des Elektrolyseurs die 30 cm 3 Marke erreicht ist das Netzgerät wieder auf 0 V einzustellen. - Die Widerstandsdekade wird auf 1 Ω eingestellt und gleichzeitig wird die Messwertaufnahme in measure gestartet. - Die Gasspeicher beobachten. - Wenn die Gasmengen wieder den Startwert erreichen, dann ist die Messwertaufnahme in measure zu beenden. - Die Dekade wieder auf (offen) schalten. - Das Netzgerät ausschalten. - Die Ausgangsstutzen öffnen, damit das Wasser zurück in die Gasspeicher gelangt. - Ausgangsstutzen schließen. Beobachtung Die Gasmenge beträgt zu Beginn des Versuches 5 cm 3. Die elektrische Arbeit steigt zu Beginn stärker, als zum Ende hin. Das Verbrennen der Gase dauert 200,5 s. Auswertung In Abb. 5 lässt sich mit Hilfe der Funktion Vermessen feststellen, dass eine elektrische Arbeit von 45,7 Ws verrichtet wurde, um eine Wasserstoffmenge von 25 cm 3 herzustellen. Der energetische Wirkungsgrad ist das Verhältnis aus erzeugter elektrischer Energie zu der im Wasserstoff gespeicherten Energie. Die gespeicherte Energie wird mit Hilfe des Heizwertes von Wasserstoff be- rechnet. Abb 5: Messauswertung energetischer Wirkungsgrad 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

5 Faradayscher und energetischer Wirkungsgrad ENT η Energie = E elektrisch W = E Wasserstoff V H2 H 0 Wobei E = Energie η = Wirkungsgrad V H2 = verbrauchtes Wasserstoffgasvolumen H U = Heizwert des Wasserstoffs = 10, J/m 3 Damit ergibt sich ein energetischer Wirkungsgrad von 17 %. 2. Faradayscher Wirkungsgrad Durchführung - Den Tauchfühler an die Cobra4 Sensor-Unit 2x Temperatur anschließen. - Cobra4 Wireless-Link mit angesteckter Cobra4 Sensor-Unit 2x Temperatur einschalten. Die Sensor- Unit und die elektrischen Größen T1 und T2 werden als Messkanäle angezeigt. - Experiment ENT 4.2 Teil 2 laden (Experiment>Experiment öffnen> ). Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen zur Messwertaufnahme geöffnet (Abb. 6). - Den Tauchfühler abseits von Wärme- und Kältequellen positionieren, sodass die Raumtemperatur ermittelt werden kann. - Am Netzgerät die Spannung auf 0 V und die Strombegrenzung auf 2 A einstellen. - Das Netzgerät einschalten. - Vorlauf und Messung wie im ersten Teil durchführen. - Alle Messungen an das measure Hauptprogramm übertragen. Abb. 6: Messwerterfassung faradayscher Wirkungsgrad P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

6 ENT Faradayscher und energetischer Wirkungsgrad Beobachtung Es werden 221,5 s benötigt um den Wasserstoff zu verbrennen. Die Raumtemperatur beträgt 294,1 K und die Stromstärke nimmt mit der Zeit sehr leicht ab. Auswertung Mit der Funktion Mittelwert kann ein durchschnittlicher Wert der Stromstärke von 0,398 A ermittelt werden. Der faradaysche Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis theoretisch verbrauchter zu tatsächlich verbrauchter Gasmenge. Aus dem zweiten faradayschen Gesetz Q = I. t = n. z. F,, sowie der allgemeinen Zustandsgleichung für Gase p. V = n. R. T lässt sich folgern: V H2 (errechnet)= R I T t F p z Dabei ist zu beachten, dass der PEM Doppelbrennstoffzelle aus zwei in Reihe geschalteten Brennstoff- zellen besteht, sodass der Strom in jeder Zelle gleich ist und das theoretische Gasvolumen in jeder Zelle entsteht, weshalb das Ergebnis hier mit dem Faktor zwei multipliziert werden muss. Ferner gilt: Q = elektrische Ladung V = Gasvolumen I = mittlere Stromstärke T = Umgebungstemperatur t = Zeit R = universelle Gaskonstante = 8,314 J/(mol. K) F = Faradaykonstante = (A. s)/mol p = Umgebungsdruck in Pa. Es gilt: 1 Pa = 1 N/m 2 (Normaldruck 1, Pa)* z = Anzahl der benötigten Elektronen, um ein Molekül abzuscheiden (z(h 2 )=2) Abb. 7: Messauswertung faradayscher Wirkungsgrad 6 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

7 Faradayscher und energetischer Wirkungsgrad ENT Mit der Formel: η Faraday = V H 2 (theoretisch) 2 V H2 (verbraucht) Ergibt sich ein Wert von 89%. Die leichte Abnahme der Stromstärke in beiden Versuchsteilen ist zum Teil auf das Entstehen von Wasser in der Brennstoffzelle zurückzuführen, da das die gleiche Auswirkung hat, wie eine Verkleinerung der Membranfläche. * Für genauere Ergebnisse kann der Umgebungsdruck mit der Cobra4 Sensor-Unit Pressure ermittelt werden. Anwendung Ähnlich wie bei Elektrolyseuren gibt es auch verschiedene Brennstoffzellen. Im Versuch eingesetzt wurde eine PEM Brennstoffzelle, welche zu den gängigsten überhaupt zählt, da sie platzsparend ist und einfach zu bedienen ist. Andere Zellen, zum Beispiel die Festoxid Brennstoffzelle benötigt Temperaturen von mindestens 800 C und alkalische Brennstoffzellen sind so unhandlich, dass sie in erster Linie in U- Booten und Raumschiffen verwendet werden. Die PEM Brennstoffzelle hingegen findet Anwendung in der Stromversorgung von Häusern oder auch in Bussen und PKWs. Hinweise Korrespondenz Schülerversuche TESS EN 4.8 Faradayscher und energetischer Wirkungsgrad. (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 Sensor-Unit 2x Temperatur, NiCr-Ni Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger Halter für Handmessgeräte Tauchfühler, NiCr-Nr, Edelstahl, C Digitale Großanzeige Versuch P Analog-Demomultimeter ADM Laborthermometer, C, ohne Hg Präzisionsbarometer, d=100 mm P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 7