Faradayscher und energetischer Wirkungsgrad eines PEM Elektrolyseurs

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1 Faradayscher und energetischer Wirkungsgrad ENT Schlüsselworte Elektrolyse, Protonen-Austausch-Membran, Ladungstrennung, Wasserstoff, Wirkungsgrad, faradaysche Gesetze, universelle Gaskonstante Prinzip Wirkungsgrade beschreiben die Effizienz eines Vorganges unter bestimmten Aspekten. Im ersten Versuchsteil wird dazu der energetische Wirkungsgrad bestimmt. Er ist das Verhältnis zwischen nutzbarer und dafür aufge- brachter Energie. Danach wird der faradaysche Wirdas Verhältnis zwischen der real erzeugten Gasmenge und dem theoretisch er- kungsgrad untersucht, welcher rechneten Wert ist. Material *2 Leitungsbaustein, winklig, DB *2 Leitungsbaustein, Anschlussbaustein, DB Doppel PEM Elektrolyseur, DB Gasspeicher auf Magnetplatte, DB Baustein mit Magnetplatte, DB Metallwinkel f. Baustein m. Magnetplatte Zusätzlich wird benötigt 1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell 1 Netzgerät universal **1 Cobra4 Wireless-Manager Sicherheitshinweise Destilliertes Wasser, Schutzbrille Elektrolyseur vorbereiten **2 Cobra4 Wireless-Link **1 Cobra4 Sensor-Unit Energy **1 Cobra4 Sensor-Unit 2x Temp., NiCr-Ni **2 Halter für Cobra4, magnetisch **1 Tauchfühler, NiCr-Ni, Ni, Edelst., C **1 Software measure für Cobra Verbindungsleitung 250 mm, blau Verbindungsleitung 250 mm, gelb Verbindungsleitung 750 mm, rot Verbindungsleitung 750 mm, blau Abb. 1.: Versuchsaufbau P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 ENT Faradayscher und energetischer Wirkungsgrad 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 sollte der Elektrolyseur 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. Aufbau - Den Stromkreis für den Elektrolyseur nach Abb. 1 aufbauen. - Das Netzgerät ist ausgeschaltet. - Auf die Polung des PEM Elektrolyseurs achten. - Darauf achten, dass das rote Kabel vom Netzgerät 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 mit einer Schlauchklemme verschließen. - Gasspeicher bis knapp unter die obere 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. Abb. 2: Gasspeicher verbinden Abb. 3: Gasspeicher füllen 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

3 Faradayscher und energetischer Wirkungsgrad ENT 1. Energetischer Wirkungsgrad 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 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. - Am Netzgerät die Spannung auf 0 V und die Strombegrenzung auf 2 A einstellen. - Das Netzgerät einschalten. - Messwertaufnahme in measure starten. - Zügig eine Spannung von 4 V einstellen. - Wenn der Wasserstoffspeicher auf der negativen Seite des Elektrolyseurs die 30 cm 3 Marke erreicht, dann die Spannung wieder auf 0 V stellen. - Die Messwertaufnahme in measure beenden. Abb. 4: Messwerterfassung energetischer Wirkungsgrad P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 ENT Faradayscher und energetischer Wirkungsgrad - Netzgerät ausschalten. - Die Schlauchklemmen öffnen, damit das Wasser zurück in die Gasspeicher gelangt. - Schlauchklemmen wieder schließen. - Alle Messungen an das measure Hauptprogramm übertragen. Beobachtung Die Spannung und die Stromstärke bleiben konstant und die elektrische Arbeit steigt linear an. Auswertung In Abb. 5 lässt sich mit Hilfe der Funktion Vermessen feststellen, dass eine elektrische Arbeit von 466,5 Ws verrichtet wird, um eine Wasserstoffmenge von 30 cm 3 in 69,5 s herzustellen. Der energetische Wirkungsgrad ist das Verhältnis von nutzbarer zu zugeführter Energie. Die nutzbare Energie wird mit Hilfe des Brennwertes von Wasserstoff berechnet. η Energie = E nutzbar = E Wasserstoff E zugeführt E elektrisch = V H 2 H 0 W Wobei E = Energie η = Wirkungsgrad V H2 = erzeugtes Wasserstoffgasvolumen H 0 = Brennwert des Wasserstoffs = 12, J/m 3 Damit ergibt sich ein Wirkungsgrad von 82 %. Abb 5: Messauswertung energetischer Wirkungsgrad 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

5 Faradayscher und energetischer Wirkungsgrad ENT 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 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. - Messwertaufnahme in measure starten. - Zügig eine Spannung von 4 V einstellen. - Wenn der Wasserstoffspeicher auf der negativen Seite des Elektrolyseurs die 30 cm 3 Marke erreicht, die Messwertaufnahme in measure beenden. - Zügig die Spannung am Netzgerät auf 0 V stellen. - Netzgerät ausschalten. - Die Schlauchklemmen öffnen, damit das Wasser zurück in die Gasspeicher gelangt. - Schlauchklemmen wieder schließen. - Alle Messungen an das measure Hauptprogramm übertragen. Abb. 6: Messwerterfassung Faraday P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

6 ENT Faradayscher und energetischer Wirkungsgrad Beobachtung Auch hier bleiben Spannung und Stromstärke konstant. Die Raumtemperatur beträgt 295,1 K. Auswertung Mit der Funktion Mittelwert kann der durchschnittliche Wert der Stromstärke mit 1,658 A ermittelt werden. Bei dieser Stromstärke werden 73 s benötigt um den Wasserstoffgasspeicher mit 30 cm 3 Gas zu füllen. Der faradaysche Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis aus der erzeugten Gasmenge und der theoretisch möglichen Gasmenge, die mit der zugeführten Energie erzeugbar wäre. 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 Doppelelektrolyseur aus zwei in Reihe geschalteten Elektrolyselen besteht, sodass der Strom in jeder Zelle gleich ist und das errechnete Gasvolumen in jeder Zelle entsteht, weshalb das Ergebnis hier mit dem Faktor zwei multipliziert werden muss. Ferner gilt: zellen 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) Mit der Formel: η Faraday = V H 2 (erzeugt) V H2 (errechnet) 2 ergibt sich ein faradayscher Wirkungsgrad von 99%. Abb. 7: Messauswertung faradayscher Wirkungsgrad 6 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

7 Faradayscher und energetischer Wirkungsgrad ENT Der faradaysche Wirkungsgrad ist deutlich größer als der energetische, weil dort lediglich Verluste bei der direkten Umwandlung berücksichtigt werden, zum Beispiel durch Diffusion. Beim energetischen Wirkungsgrad spielen zusätzlich Verluste zum Beispiel durch den Innenwiderstand des Elektrolyseurs eine Rolle. * Für genauere Ergebnisse kann der Umgebungsdruck mit der Cobra4 Sensor-Unit Pressure ermittelt werden. Anwendung Neben dem PEM Elektrolyseur gibt es auch noch diverse andere Arten der Elektrolyse. Üblich für die Trennung von Wasser sind auch die alkalische Elektrolyse und die Hochtemperaturelektrolyse. Gerade mit der letzteren lassen sich sogar deutlich bessere Wirkungsgrade erzielen, als mit dem PEM Elektrolyseur, aber dafür werden Temperaturen von über 800 C benötigt. Alkalische Elektrolyse erreichen ähnliche Werte für den Wirkungsgrad, wie der PEM Elektrolyseur, jedoch wird dafür eine Kalilauge benötigt. Trotz der Kosten oder der Bedingungen die für die Elektrolyse benötigt werden, werden in erster Linie die drei genannten Varianten verwendet, da zum Beispiel die chemische oder biologische Herstellung von Wasserstoff deutlich schwieriger und kostspieliger ist und meist auch nicht Wasserstoff in der Reinheit liefern kann, wie es die Elektrolyse kann. Hinweise Korrespondenz Schülerversuche TESS EN 4.6 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