TU Bergakademie Freiberg Institut für Werkstofftechnik Schülerlabor science meets school Werkstoffe und Technologien in Freiberg

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Heinrich Stein
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1 TU Bergakademie Freiberg Institut für Werkstofftechnik Schülerlabor science meets school Werkstoffe und Technologien in Freiberg GRUNDLAGEN Modul: Versuch: Elektrochemie 1 Abbildung 1: I. VERSUCHSZIEL Im folgenden Versuch soll mit einer PEM aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie gewonnen werden. Zuerst wird der Versuchsaufbau besprochen und nach der Platzanleitung durchgeführt. Im ersten Teil des Experiments werden die Strom Spannungs Kennlinie und die Leistungskennlinie der aufgenommen. Dazu werden die benötigten Gase mit dem Elektrolyseur hergestellt. Im zweiten Teil des Experiments werden der energetische und der faradaysche Wirkungsgrad des Elektrolyseurs ermittelt. Der energetische Wirkungsgrad soll mit dem theoretischen Maximum, dem idealen Wirkungsgrad, verglichen werden. Alle Kennlinien sollen dargestellt und diskutiert werden. Die Ergebnisse des Versuchs werden in einem Protokoll festgehalten. II. HINTERGRUND Wasserstoff und Sauerstoff sind sehr häufig vorkommende Elemente und gebunden im Wassermolekül praktisch unbegrenzt verfügbar. Durch Elektrolyse des Wassers können beide Gase gewonnen werden. Die elektrische Energie, welche bei der Elektrolyse aufgewendet wird, wird als Reaktionsenthalpie bei der Verbrennung des Wasserstoffs wieder frei und kann genutzt werden. Der Brennwert des Wasserstoffs beträgt 12, J m 3 [1]. Wasserstoff eignet sich damit sehr gut als Energiespeicher.

Zuerst wird der Versuchsaufbau besprochen und nach der Platzanleitung durchgeführt. Im ersten Teil des Experiments werden die Strom Spannungs Kennlinie und die Leistungskennlinie der aufgenommen.

2 Die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser kann in einer nutzbar gemacht werden. Diese Zelle erzeugt dabei direkt einen elektrischen Strom. Es existieren viele unterschiedliche Typen von n, die sich hinsichtlich ihrer Materialien, der Betriebstemperatur und der Edukte unterscheiden. In diesem Versuch wird eine PEM eingesetzt. Funktionsweise der PEM Die PEM ermöglicht eine Stromerzeugung durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser. Dabei bedeutet PEM proton exchange membrane, also Protonen Austausch Membran. Die ausgetauschten Protonen sind dabei H+ Ionen. Die Membran ist dabei nur für positiv geladene Ionen durchlässig und nicht für die negativ geladenen Elektronen. Anode und Kathode bestehen aus einem Metall, welches als Katalysator funktioniert, wie z. B. Platin. An den Elektroden finden folgende katalytische Reaktionen statt: An der Anode findet die Oxidation des Wasserstoffs statt: 2H 2 4 H + + 4e - (1) An der Katode findet die Reduktion des Sauerstoffs statt: 4H + + O 2 + 4e - 2 H 2 O (2) Die Gesamtreaktionsgleichung der Redoxreaktion lautet damit: 2 H 2 + O 2 2 H 2 O (3) 2 Der Wasserstoff wird an der Anode zersetzt, dabei entstehen Wasserstoffionen. Die Protonen diffundieren durch die Membran und reagieren mit den an der Kathode entstehenden Sauerstoffionen zu Wasser. In Abb. 2 ist der Aufbau der schematisch dargestellt. Abbildung 2: Aufbau der PEM [2]

Funktionsweise der PEM Die PEM ermöglicht eine Stromerzeugung durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser. Dabei bedeutet PEM proton exchange membrane, also Protonen Austausch Membran.

3 Energetischer Wirkungsgrad Der energetische Wirkungsgrad η E ist das Verhältnis der erhaltenen elektrischen Energie E elekt zu der im verbrauchten Wasserstoffvolumen gespeicherten Energie E H2. (4) Die Energie des Wasserstoffs ergibt sich ganz einfach aus dem Produkt des Brennwertes HO und dem entstandenen Gasvolumen. Die elektrische Energie ergibt sich aus der mittleren Leistung multipliziert mit der Zeit. Die Leistung P ist wiederum das Produkt aus Strom I und Spannung U. Damit ergibt sich der energetische Wirkungsgrad nach Formel (5). (5) H U unterer Brennwert des Wasserstoffs [10,8 106 J m 3] [1] Idealer Wirkungsgrad Der ideale energetische Wirkungsgrad der η id ist durch das Verhältnis der freien Reaktionsenthalpie ΔG zur Reaktionsenthalpie ΔH gegeben (6). 3 (6) Dieser Wirkungsgrad gibt an, wie viel elektrische Energie theoretisch im Verhältnis zur freiwerdenden Gesamtenergie genutzt werden kann. Die Gesamtenergie oder Reaktionsenthalpie ΔH berücksichtigt unter anderem die Wärmeverluste. ΔH ergibt sich nach der Gibbs`schen Gleichung wie folgt: (7) S Entropie des Wasserstoffs [ 162,985 J K 1 mol 1] ΔH Reaktionsenthalpie des Wasserstoffs [ J mol 1] Damit ergibt sich der ideale Wirkungsgrad ηid zu: (8)

Die elektrische Energie ergibt sich aus der mittleren Leistung multipliziert mit der Zeit. Die Leistung P ist wiederum das Produkt aus Strom I und Spannung U.

4 Mehr als 83% Wirkungsgrad können also prinzipiell bei der Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser nicht erreicht werden. Dieser Wert ist durch die Thermodynamik vorgegeben und kann nicht weiter erhöht werden. [1] Faraday`scher Wirkungsgrad Der Faradaysche Wirkungsgrad η F (9) berechnet sich aus dem Verhältnis des theoretischen Maximalwerts V theo, der aus dem gemessenen Strom bestimmbar ist, zu dem tatsächlich verbrauchten Gasvolumen V verb. (9) Es gilt die Zustandsgleichung für ideale Gase (10). (10) (11) T absolute Temperatur [K] V Volumen des Gases [m 3 ] n Stoffmenge des Gases [mol] 4 p Luftdruck [Pa] R universelle Gaskonstante [8,315 J K 1 mol 1] Die Stoffmenge n H2 ist proportional dem gemessenen Strom I und der Ladung Q. (12) NA Avogadrokonstante [6, mol 1] z Anzahl der Elektronen die zur Bildung [2 Elektronen] eines Moleküls H2 benötigt werden e Elementarladung [1, A s] Damit erhält man das 1. faradaysche Gesetz (13):

[1] Faraday`scher Wirkungsgrad Der Faradaysche Wirkungsgrad η F (9) berechnet sich aus dem Verhältnis des theoretischen Maximalwerts V theo, der aus dem gemessenen Strom bestimmbar ist, zu dem

5 (13) Das Produkt aus e N A wird dabei oft als Faradaykonstante F abgekürzt. Durch Einsetzen von (13) in (9) ergibt sich der faradaysche Wirkungsgrad η F zu: (14) [1] III. MATERIALIEN UND GERÄTE Der Elektrolyseur, die und die entsprechenden Zubehörteile wie Kabel, Widerstandsdekade zur Regelung des Lastwiderstandes und das Netzteil befinden sich am Arbeitsplatz. Weiterhin werden Digitalmultimeter von Keithley verwendet, um Strom und Spannung exakt zu messen. Als einziges Verbrauchsmaterial wird deionisiertes Wasser benötigt. Zur Auswertung der Messdaten während des Versuchs bitte Taschenrechner mitbringen! IV. VERSUCHSABLAUF Aufbau der Versuchsanordnung Zugabe des deionisierten Wassers Herstellung von Sauerstoff und Wasserstoff mit dem Elektrolyseur Aufnahme der I U Kennlinie der Aufnahme der P I Kennlinie der Aufnahme der 2HV t Kennlinien Auswertung: - Zeichnen der Kennlinien - Berechnung der Wirkungsgrade - Diskussion und Fragen 5 LITERATUR [1] Schülerexperimente, h tec, 2003 [2] abgerufen am

Weiterhin werden Digitalmultimeter von Keithley verwendet, um Strom und Spannung exakt zu messen. Als einziges Verbrauchsmaterial wird deionisiertes Wasser benötigt.

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