Kennlinie der Brennstoffzelle

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1 E z1 Kennlinie der Material: Zerlegbare mit Membran,3 mg/cm Pt sowie Wasserstoff- und Sauerstoffendplatte montiert nach Aufbauanleitung Komponenten aus Schülerkasten Solar-Wasserstoff-Technologie: Solarmodul Kabel lange Schläuche kurze Schläuche Schlauchverschlussstopfen Zusätzliche Komponenten: Lampe -15 Watt Destilliertes Wasser Durchführung: Beachten Sie die Anweisungen aus der Bedienungsanleitung! Beim Experimentieren Schutzbrille tragen und Zündquellen fernhalten!!! Bild z1a (Spülen): Solarmodul A V R Lampe + - ml ml O H O H

2 1. Bauen Sie eine Anordnung nach Bild z1a auf. Polung am beachten!. Prüfen Sie, ob die Gaszuleitungsschläuche an und richtig angeschlossen sind. Stellen Sie den Wahlschalter der auf Offen. 3. Stellen Sie sicher, dass beide Gasspeicher am bis zur ml-markierung mit destilliertem Wasser gefüllt sind und stellen Sie mit dem beleuchteten Solarmodul am einen konstanten Strom ein (zwischen und 3 ma). Sie müssen das Solarmodul so in Richtung der Lampe ausrichten, dass Sie im eine deutliche Gasentwicklung beobachten.. Spülen Sie für 5 Minuten das gesamte System aus, und Schläuchen mit den erzeugten Gasen. Stellen Sie anschließend den Wahlschalter der für 3 Minuten auf 3 Ohm, Sie sollten jetzt bereits am Amperemeter der Messbox einen Strom beobachten. Stellen Sie nun zum erneuten Spülen den Wahlschalter der Messbox für 3 Minuten wieder auf Offen. Bild z1b (Speichern): Sauerstoff aus Wasserstoff aus O H Schlauchverschlussstopfen 5. Unterbrechen Sie kurzzeitig die Stromversorgung des s und schließen Sie die beiden kurzen Schläuche an den Auslassöffnungen der mit den Verschlussstopfen (siehe Bild z1b). Stellen Sie nun die Verbindung Solarmodul- wieder her und speichern die erzeugten Gase in den Gasspeichern des s. Unterbrechen Sie die Verbindung wenn auf der Wasserstoffseite des s die ml-markierung erreicht ist. 7. Entfernen Sie die Kabel zwischen Solarmodul und und schließen Sie damit das Voltmeter der an die an (siehe Bild z1c). Messen Sie nun die Kennlinie der durch Variation des Messwiderstandes (Wahlschalter der Messbox). Beginnen Sie bei Offen (Ruhespannung) und dann nach rechts drrehend zu kleineren Widerständen. Nehmen Sie für jede Schalterstellung den Wert von Strom und Spannung auf. Warten Sie vor dem Ablesen jeweils 3 Sekunden. Tragen Sie die Werte in die Messtabelle ein. Messen Sie zum Schluss noch die Werte für die Lampe und den Elektromotor. 9. Stellen Sie nach Aufnahme der Kennlinie den Wahlschalter der Messbox wieder auf Offen und entfernen Sie außerdem die Verschlußstopfen an der.

3 Bild z1c (Aufnahme der Kennlinie): A V R + - ml ml O H O H Messtabelle: R in Ω U in V I in ma Auswertung: 1. Zeichnen Sie die U-I-Kennlinie der.. Interpretieren Sie die Kennlinie. 3. Zeichnen Sie ein P-I-Diagramm.. Tragen Sie den Wert für die Spannung und die Stromstärke der Lampe und des Motors in die U-I-Kennlinie ein. 5. Berechnen Sie die Leistungsaufnahme der Lampe und des Motors und tragen Sie die Werte in das P-I-Diagramm ein.

4 Interpretation/Hinweise: Kennlinie 1 Spannung in V,9,,7, Elektromotor Lampe,5 3 5 Strom in ma Um die Kennlinie der zu verstehen, sollte man sich die Kennlinie eines s in Erinnerung rufen (Experiment e1 des Schülerkastens Solar-Wasserstoff-Technologie). Die Vorgänge in der sind die Umkehrung der Elektrolyse. Bei der Elektrolyse von Wasser müssen mindestens 1,3 V aufgebracht werden, damit die Zersetzung von Wasser beginnt, in der Regel ist die Spannung noch höher (Überspannung). Bei einer (als galvanische Zelle) wird aus gleichen Gründen weniger Spannung erzeugt. Auch hier beeinflussen das Material der Elektroden (Katalyse), der Innenwiderstand, die Temperatur aber auch die Menge an Wasserstoff und Sauerstoff die zugeführt werden, die Kennlinie. Bei sehr geringer oder gar keiner Stromentnahme beträgt die Spannung der ca.,9 V. Man bezeichnet diese Spannung als Ruhespannung (in Analogie zur Batterie). Sie ist bei der stark von der Menge und Reinheit der zugeführten Gase abhängig. Je mehr Strom man der entnimmt, desto kleiner wird die Spannung. Bei Spannungsabnahme ergibt sich ebenfalls ein exponentieller Anstieg des Stroms. Trägt man den Arbeitspunkt des Elektromotors in das P-I-Diagramm ein, so ist zu sehen, dass der Motor nicht im optimalen Punkt läuft, d.h. Wasserstoff geht hier verloren. Der kann also mehr Leistung entnommen werden. In der Praxis ist man bestrebt, die bei möglichst hohem Strom zu betreiben (also bei hoher Leistung). Bei einem hohen Strom nimmt aber gleichzeitig der Wirkungsgrad einer ab (siehe Experiment z), so dass auch hier die Aufgabe besteht einen optimalen Arbeitspunkt (hoher Wirkungsgrad, hohe Leistung) zu finden. Eine genaue Erklärung zum Verständnis der Kennlinie einer entnehmen Sie bitte der Anleitung z.

5 Leistung Spannung in V Lampe Elektromotor 3 5 Strom in ma

6 E z FARADAY- und Energiewirkungsgrad der Material: Zerlegbare mit Membran,3 mg/cm Pt sowie Wasserstoff- und Sauerstoffendplatte montiert nach Aufbauanleitung Komponenten aus Schülerkasten Solar-Wasserstoff-Technologie: Solarmodul Stoppuhr Kabel lange Schläuche kurze Schläuche Schlauchverschlussstopfen Zusätzliche Komponenten: Lampe -15 Watt Destilliertes Wasser Durchführung: Beachten Sie die Anweisungen aus der Bedienungsanleitung! Beim Experimentieren Schutzbrille tragen und Zündquellen fernhalten!!! Bild za (Spülen): Solarmodul A V R Lampe + - ml ml O H O H

7 1. Bauen Sie eine Anordnung nach Bild za auf. Polung am beachten!. Prüfen Sie, ob die Gaszuleitungsschläuche an und richtig angeschlossen sind. Stellen Sie den Wahlschalter der auf Offen. 3. Stellen Sie sicher, dass beide Gasspeicher am bis zur ml-markierung mit destilliertem Wasser gefüllt sind und stellen Sie mit dem beleuchteten Solarmodul am einen konstanten Strom ein (zwischen und 3 ma). Sie müssen das Solarmodul so auf die Lampe ausrichten, dass Sie im eine deutliche Gasentwicklung beobachten.. Spülen Sie für 5 Minuten das gesamte System mit den im erzeugten Gasen. Stellen Sie anschließend den Wahlschalter der für 3 min auf 3 Ohm, Sie sollten jetzt am Amperemeter der Messbox einen Strom messen. Stellen Sie nun zum erneuten Spülen den Wahlschalter der Messbox für 3 Minuten wieder auf Offen. Bild zb (Speichern): Sauerstoff aus Wasserstoff aus O H Schlauchverschlussstopfen 5. Unterbrechen Sie die Verbindung Solarmodul- und schließen Sie die beiden kurzen Schläuche an den Auslassöffnungen der mit den Stopfen (siehe Bild zb). Stellen Sie nun die Verbindung Solarmodul- wieder her und speichern die erzeugten Gase in den Gasspeichern des s. Unterbrechen Sie die Verbindung wenn auf der Wasserstoffseite des s die ml-markierung erreicht ist. 7. Da das System aufgrund seiner Schläuche und Dichtungen immer eine gewisse Leckrate aufweist, muss zuerst eine Nullmessung durchgeführt werden. Messen Sie über eine Zeit von 5 Minuten den Verlust an Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher ohne Last (Stellung Offen ) und bestimmen Sie die Leckrate des Systems in ml Wasserstoff pro Minute.. Stellen Sie nun die Verbindung Solarmodul- wieder her und füllen Sie den Wasserstoffspeicher erneut auf ml auf. Anschließend unterbrechen Sie die Spannungsversorgung des s wieder. 9. Entfernen Sie nun die Kabel zwischen Solarmodul und und schließen Sie damit das Voltmeter der an die an (siehe Bild zc). Stellen Sie einen Widerstand von 3 Ohm ein. Messen Sie das Volumen, dass die in 1 s aus dem Wasserstoffspeicher des s verbraucht. Messen Sie außerdem Strom und Spannung der und notieren Sie alle Werte. Stellen Sie nach 1 s den Wahlschalter auf Offen.

8 . Wiederholen Sie die Schritte bis 9 noch zweimal und bilden Sie den Mittelwert des durch die verbrauchten Wasserstoffvolumens. Stellen Sie nach den Messungen den Wahlschalter auf Offen und entfernen Sie die Verschlußstopfen an der. Bild zc (Bestimmung des Wirkungsgrades): A V R + - ml ml O H O H Messtabelle: ohne Verbraucher - Nullmessung: t = 3 s = 5 min Verlustvolumen Wasserstoff aus Speicher: V = ml Bestimmung der Leckrate des Systems V/t = ml/min mit Verbraucher: R = Ω t = s V 1 = ml U = V V = ml Vmittel = ml I = ma V 3 = ml (verbrauchter Wasserstoff) Auswertung: 1. Bestimmen Sie die jeweiligen Wasserstoffvolumina.. Bestimmen Sie den FARADAY- Wirkungsgrad der. 3. Bestimmen Sie den Energiewirkungsgrad der.

9 Interpretation/Hinweise: Beispielmessung: Nullmessung t = 5 min V = 1,5 ml Leckrate: V/t =,3 ml/min mit Verbraucher: R = 3 Ω t = 1 s V1 =,5 ml U =,7 V V =, ml Vmittel =,5 ml I = 33 ma V3 =, ml (verbrauchter Wasserstoff aus Gasspeicher) Um einen Strom von 33 ma zu liefern, verbraucht die 5, (,5-,9) ml Wasserstoff. Bestimmung des FARADAY- Wirkungsgrades der Der FARADAY-Wirkungsgrad ist das Verhältnis aus dem theoretischen Wasserstoffverbrauch bei einem bestimmten Stromfluss durch den Verbraucher und dem experimentell bestimmten Wasserstoffverbrauch. η = VH theoretisch / VH experimentell Der FARADAY- Wirkungsgrad sollte möglichst 1 (%) betragen. Mit dem. FARADAYschen Gesetz lässt sich der theoretisch zu erwartende Wasserstoffverbrauch berechnen. I t = n z F n = V / V m VH theoretisch = I t V m / z F VH theoretisch = 33 ma 1 s l mol -1 / 9 C mol -1 VH theoretisch = 5, ml Einheiten: siehe Experiment e3 (Schülerkasten Solar-Wasserstoff-Technologie)

10 Beispielmessung: η = VH theoretisch / VH experimentell η = 5, ml / 5, ml η =,93 Aus folgenden Gründen kann der FARADAY-Wirkungsgrad der unter eins liegen: 1. Elektrochemische Parallelreaktionen, die weniger Elektronen pro verbrauchtem Wasserstoff liefern,. Chemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff an den Katalysatoren (katalytische Verbrennung) und 3. Wasserstoff- und Sauerstoff- Rekombination oder Diffusion durch Lecks. Bestimmung des Energiewirkungsgrades der Der Energiewirkungsgrad der ist das Verhältnis aus der gewonnenen elektrischen Energie und dem theoretischen Energieinhalt des verbrauchten Wasserstoffs. η = elektrische Energie / theor. Energieinhalt des verbrauchten Wasserstoffs η = U I t / Ho H VH experimentell η =,7 V 33 ma 1s / 11 9 kj m -3 5, ml η =, Einheiten: kj ml 1 ma 3 J 1 VAs 1 m 3 m 3 V ma s 1A 1 kj 1 J ml Bei einer Spannung von,7 V liegt der theoretische Wirkungsgrad bei,5. η theoretisch = Uexperimentell / U Ho U Ho ist die Spannung bezogen auf den oberen Heizwert des Wasserstoffs. Sie beträgt 1, V. U Ho = H o V m / z F Über die Bedeutung des Energiewirkungsgrades können Sie in unserem Lehrmaterial zur Solar- Wasserstoff-Technologie nachlesen.

11 Experimentvariationen: Bestimmen Sie den Energiewirkungsgrad in Abhängigkeit vom Strom der durch die fließt. Stellen Sie durch Variation des Widerstandes an der Ströme zwischen und 5 ma ein. Gehen Sie nicht über 5 ma! Bestimmen Sie den stromabhängigen Wirkungsgrad und interpretieren Sie das Ergebnis. Hinweise zur Interpretation können Sie unserem Lehrmaterial zur Solar-Wasserstoff-Technologie entnehmen.

12 E z3 Einfluss der Katalysatormenge auf die Kennlinie der Material: Zerlegbare mit Membran,3 mg/cm Pt sowie Wasserstoff- und Sauerstoffendplatte montiert nach Aufbauanleitung (Grundaufbau) Zusätzliche Membran mit,1 mg/cm Pt (Membran hat Markierung) Innensechskantschlüssel Schraubenschlüssel Komponenten aus Schülerkasten Solar-Wasserstoff-Technologie: Solarmodul Kabel lange Schläuche kurze Schläuche Schlauchverschlussstopfen Zusätzliche Komponenten: Lampe -15 Watt Destilliertes Wasser Durchführung: Beachten Sie die Anweisungen aus der Bedienungsanleitung! Beim Experimentieren Schutzbrille tragen und Zündquellen fernhalten!!! Bild z3a (Spülen): Solarmodul A V R Lampe + - ml ml O H O H

13 1. Führen Sie zuerst die Messungen mit der mit der Membran mit,3 mg/cm Katalysatorbelegung durch. Achten Sie darauf, dass die Endplatten auf 7 mm Abstand zusammengeschraubt sind. Bauen Sie eine Anordnung nach Bild z3a auf. Polung am beachten!. Prüfen Sie, ob die Gaszuleitungsschläuche an und richtig angeschlossen sind. Stellen Sie den Wahlschalter der auf Offen. 3. Stellen Sie sicher, dass beide Gasspeicher am bis zur ml-markierung mit destilliertem Wasser gefüllt sind und stellen Sie mit dem beleuchteten Solarmodul am einen konstanten Strom ein (zwischen 5 und 3 ma). Sie müssen das Solarmodul so in Richtung der Lampe ausrichten, dass Sie im eine deutliche Gasentwicklung beobachten.. Spülen Sie für 5 Minuten das gesamte System aus, und Schläuchen mit den erzeugten Gasen. Stellen Sie anschließend den Wahlschalter der für 3 Minuten auf 3 Ohm, Sie sollten jetzt bereits am Amperemeter der Messbox einen Strom beobachten. Stellen Sie nun zum erneuten Spülen den Wahlschalter der Messbox für 3 Minuten wieder auf Offen. Bild z3b (Speichern): Sauerstoff aus Wasserstoff aus O H Schlauchverschlussstopfen 5. Unterbrechen Sie kurzzeitig die Stromversorgung des s und schließen Sie die beiden kurzen Schläuche an den Auslassöffnungen der mit den Verschlussstopfen (siehe Bild z3b). Stellen Sie nun die Verbindung Solarmodul- wieder her und speichern die erzeugten Gase in den Gasspeichern des s. Unterbrechen Sie die Verbindung wenn auf der Wasserstoffseite des s die ml-markierung erreicht ist. 7. Entfernen Sie die Kabel zwischen Solarmodul und und schließen Sie damit das Voltmeter der an die an (siehe Bild z3c). Messen Sie nun die Kennlinie der durch Variation des Messwiderstandes (Wahlschalter der Messbox). Beginnen Sie bei Offen (Ruhespannung) und dann nach rechts drehend zu kleineren Widerständen. Nehmen Sie für jede Schalterstellung den Wert von Strom und Spannung auf. Warten Sie vor dem Ablesen jeweils 3 Sekunden. Tragen Sie die Werte in die Messtabelle ein.

14 1. Stellen Sie nach Aufnahme der Kennlinie den Wahlschalter der Messbox wieder auf Offen und entfernen Sie außerdem die Verschlussstopfen an der.. Zerlegen Sie nun die wie in der Aufbauanleitung skizziert und bauen Sie die Membran mit,1 mg/cm Katalysatorbelegung ein. Achten Sie darauf, dass der Abstand der Endplatten 7 mm beträgt. 3. Messen Sie die Kennlinie wie unter beschrieben.. Zerlegen Sie nach Durchführung der Messungen die und bauen Sie die Membran mit,3 mg/cm Pt wieder ein (Grundaufbau). Bild z3c (Aufnahme der Kennlinie): A V R + - ml ml O H O H Messtabelle:,1 mg/cm Katalysator,3 mg/cm Katalysator R in Ω U in V I in ma U in V I in ma Auswertung: 1. Zeichnen Sie die U-I-Kennlinien der mit beiden Katalysatorbelegungen.. Zeichnen Sie auch die P-I-Diagramme. 3. Interpretieren Sie die Ergebnisse.

15 Interpretation/Hinweise: 1 Kenlinie als Funktion der Katalysatorbelegung,9,,7 Spannung in V,,5,,3,,1 Katalysator,1 mg Katalysator,3 mg 3 5 Strom in ma 3 Leistung als Funktion der Katalysatorbelegung 5 Leistung in mw 15 5 Katalysator,1 mg Katalysator,3 mg 3 5 Strom in ma Die Interpretation der Ergebnisse ist zusammenfassend in Anleitung z beschrieben.

16 E z Einfluss der Gaszufuhr auf die Kennlinie der Material: Zerlegbare mit Membran,3 mg/cm Pt sowie Wasserstoff- und Sauerstoffendplatte montiert nach Aufbauanleitung (Grundaufbau) Endplatte mit Luftschlitzen Innensechskantschlüssel Schraubenschlüssel Komponenten aus Schülerkasten Solar-Wasserstoff-Technologie: Solarmodul Kabel lange Schläuche kurze Schläuche Schlauchverschlussstopfen Zusätzliche Komponenten: Lampe -15 Watt Destilliertes Wasser Durchführung: Beachten Sie die Anweisungen aus der Bedienungsanleitung! Beim Experimentieren Schutzbrille tragen und Zündquellen fernhalten!!! Bild za (Spülen, Messung mit Sauerstoff): Solarmodul A V R Lampe + - ml ml O H O H

17 1. Führen Sie die Messungen mit der Membran mit,3 mg/cm Katalysatorbelegung durch. Achten Sie darauf, dass die Endplatten auf 7 mm zusammengeschraubt sind. Bauen Sie eine Anordnung nach Bild za auf. Polung am beachten!. Prüfen Sie, ob die Gaszuleitungsschläuche an und richtig angeschlossen sind. Stellen Sie den Wahlschalter der auf Offen. 3. Stellen Sie sicher, dass beide Gasspeicher am bis zur ml-markierung mit destilliertem Wasser gefüllt sind und stellen Sie mit dem beleuchteten Solarmodul am einen konstanten Strom ein (zwischen 5 und 3 ma). Sie müssen das Solarmodul so in Richtung der Lampe ausrichten, dass Sie eine deutliche Gasentwicklung im beobachten.. Spülen Sie für 5 Minuten das gesamte System aus, und Schläuchen mit den erzeugten Gasen. Stellen Sie anschließend den Wahlschalter der für 3 Minuten auf 3 Ohm, Sie sollten jetzt bereits am Amperemeter der Messbox einen Strom beobachten. Stellen Sie nun zum erneuten Spülen den Wahlschalter der Messbox für 3 Minuten wieder auf Offen. Bild zb (Speichern, Messung mit Sauerstoff): Sauerstoff aus Wasserstoff aus O H Schlauchverschlussstopfen 5. Unterbrechen Sie kurzzeitig die Stromversorgung des s und schließen Sie die beiden kurzen Schläuche an den Auslassöffnungen der mit den Verschlussstopfen (siehe Bild zb). Stellen Sie nun die Verbindung Solarmodul- wieder her und speichern die erzeugten Gase in den Gasspeichern des s. Unterbrechen Sie die Verbindung wenn auf der Wasserstoffseite des s die ml-markierung erreicht ist. 7. Entfernen Sie die Kabel zwischen Solarmodul und und schließen Sie damit das Voltmeter der an die an (siehe Bild zc). Messen Sie nun die Kennlinie der durch Variation des Messwiderstandes (Wahlschalter der Messbox). Beginnen Sie bei Offen (Ruhespannung) und dann nach rechts drehend zu kleineren Widerständen. Nehmen Sie für jede Schalterstellung den Wert von Strom und Spannung auf. Warten Sie vor dem Ablesen jeweils 3 Sekunden. Tragen Sie die Werte in die Messtabelle ein.

18 9. Stellen Sie nach Aufnahme der Kennlinie den Wahlschalter der Messbox wieder auf Offen und entfernen Sie außerdem die Verschlussstopfen an der. Bild zc (Aufnahme der Kennlinie mit Sauerstoff): A V R + - ml ml O H O H. Entfernen Sie nun die Schläuche auf der Sauerstoffseite der. Die wird nun mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft versorgt, der durch die Gasstutzen einströmen kann. Führen Sie nun das Experiment wie unter beschrieben erneut durch, wobei lediglich der Wasserstoff aus dem Gasspeicher des s entnommen wird (siehe Bild zd). Bild zd: (Aufnahme der Kennlinie/Luft durch Gasstutzen) Wasserstoff aus O H Schlauchverschlussstopfen

19 11. Verfahren Sie mit der Messung der Kennlinie wie unter. beschrieben, warten Sie aber bei jedem Messpunkt ca. Minuten bevor Sie die Werte von Strom und Spannung ablesen, da die Einstellung eines Gleichgewichtes länger dauert als im Sauerstoffbetrieb. 1. Zerlegen Sie anschließend die und bauen Sie statt der Sauerstoffendplatte die Endplatte mit den Luftschlitzen ein. Beim Zusammenschrauben halten Sie bitte den Abstand der beiden Endplatten von 7 mm ein. 13. Die wird nun mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft versorgt, der durch die Luftschlitze einströmen kann. Führen Sie das Experiment wie unter beschrieben erneut durch, wobei auch hier nur der Wasserstoff aus dem Gasspeicher des s entnommen wird (siehe Bild ze). Warten Sie bei Aufnahme der Kennlinie für jeden Messpunkt ca. 1 Minute. Bild zd: (Aufnahme der Kennlinie/Luft durch Luftschlitze) Wasserstoff aus O H Schlauchverschlussstopfen 1. Zerlegen Sie nach Durchführung der Messungen die und bauen Sie die Sauerstoffendplatte wieder ein (Grundaufbau). Messtabelle: Sauerstoff Luft durch Gasstutzen Luft durch Luftschlitze R in Ω U in V I in ma U in V I in ma U in V I in ma Auswertung: 1. Zeichnen Sie die drei U-I-Kennlinien der in Abhängigkeit von der unterschiedlichen Sauerstoffzufuhr.. Zeichnen Sie auch die P-I-Diagramme. 3. Interpretieren Sie die Ergebnisse.

20 Interpretation/Hinweise: 1 Kenlinie als Funktion des Sauerstoffangebotes,9,,7 Spannung in V,,5,,3,,1 Luft/Gasstutzen Luft/Luftplatte Sauerstoff 3 5 Strom in ma 3 Leistung als Funktion des Sauerstoffangebotes 5 Leistung in mw 15 5 Luft/Gasstutzen Luft/Luftplatte Sauerstoff 3 5 Strom in ma Die Interpretation der Ergebnisse ist zusammenfassend in Anleitung z beschrieben.

21 E z5 Einfluss des Gesamtwiderstandes auf die Kennlinie der Material: Zerlegbare mit Membran,3 mg/cm Pt sowie Wasserstoff- und Sauerstoffendplatte montiert nach Aufbauanleitung (Grundaufbau) Einsteckwiderstand,7 Ω Komponenten aus Schülerkasten Solar-Wasserstoff-Technologie: Solarmodul Kabel lange Schläuche kurze Schläuche Schlauchverschlussstopfen Zusätzliche Komponenten: Lampe -15 Watt Destilliertes Wasser Durchführung: Beachten Sie die Anweisungen aus der Bedienungsanleitung! Beim Experimentieren Schutzbrille tragen und Zündquellen fernhalten!!! Bild z5a (Spülen): Solarmodul A V R Lampe + - ml ml O H O H

22 1. Führen Sie die Messungen mit der Membran mit,3 mg/cm Katalysatorbelegung durch. Achten Sie darauf, dass die Endplatten auf 7 mm zusammengeschraubt sind. Bauen Sie eine Anordnung nach Bild z5a auf. Polung am beachten!. Prüfen Sie, ob die Gaszuleitungsschläuche an und richtig angeschlossen sind. Stellen Sie den Wahlschalter der auf Offen. 3. Stellen Sie sicher, dass beide Gasspeicher am bis zur ml-markierung mit destilliertem Wasser gefüllt sind und stellen Sie mit dem beleuchteten Solarmodul am einen konstanten Strom ein (zwischen 5 und 3 ma). Sie müssen das Solarmodul so in Richtung der Lampe ausrichten, dass Sie eine deutliche Gasentwicklung im beobachten.. Spülen Sie für 5 Minuten das gesamte System aus, und Schläuchen mit den erzeugten Gasen. Stellen Sie anschließend den Wahlschalter der für 3 Minuten auf 3 Ohm, Sie sollten jetzt bereits am Amperemeter der Messbox einen Strom beobachten. Stellen Sie nun zum erneuten Spülen den Wahlschalter der Messbox für 3 Minuten wieder auf Offen. Bild z5b (Speichern): Sauerstoff aus Wasserstoff aus O H Schlauchverschlussstopfen 5. Unterbrechen Sie kurzzeitig die Stromversorgung des s und schließen Sie die beiden kurzen Schläuche an den Auslassöffnungen der mit den Verschlussstopfen (siehe Bild z5b). Stellen Sie nun die Verbindung Solarmodul- wieder her und speichern die erzeugten Gase in den Gasspeichern des s. Unterbrechen Sie die Verbindung wenn auf der Wasserstoffseite des s die ml-markierung erreicht ist. 7. Entfernen Sie die Kabel zwischen Solarmodul und und schließen Sie damit das Voltmeter der an die an (siehe Bild z5c). Messen Sie nun die Kennlinie der durch Variation des Messwiderstandes (Wahlschalter der Messbox). Beginnen Sie bei Offen (Ruhespannung) und dann nach rechts drehend zu kleineren Widerständen. Nehmen Sie für jede Schalterstellung den Wert von Strom und Spannung auf. Warten Sie vor dem Ablesen jeweils 3 Sekunden. Tragen Sie die Werte in die Messtabelle ein.

23 Bild z5c (Aufnahme der Kennlinie): A V R + - ml ml O H O H Bild z5d (Aufnahme der Kennlinie mit Einsteckwiderstand): A V R + -,7 Ω ml ml O H O H

24 9. Stellen Sie nach Aufnahme der Kennlinie den Wahlschalter der Messbox wieder auf Offen und entfernen Sie außerdem die Verschlussstopfen an der.. Stecken Sie nun den Einsteckwiderstand mit,7 Ω in eine der nbuchsen (Bild z5d) und messen Sie erneut die Kennlinie wie unter beschrieben. Messtabelle: Kenlinie ohne Widerstand mit Einsteckwiderstand R in Ω U in V I in ma U in V I in ma Auswertung: 1. Zeichnen Sie die U-I-Kennlinien der mit und ohne Einsteckwiderstand.. Zeichnen Sie auch die P-I-Diagramme. 3. Interpretieren Sie die Ergebnisse.

25 Interpretation/Hinweise: 1 Kenlinie als Funktion des nwiderstandes,9,,7 Spannung in V,,5,,3,,1 ohne Widerstand Widerstand,7 Ohm 3 5 Strom in ma 3 Leistung als Funktion des nwiderstandes 5 Leistung in mw 15 5 ohne Widerstand Widerstand,7 Ohm 3 5 Strom in ma Die Interpretation der Ergebnisse ist zusammenfassend in Anleitung z beschrieben.

26 z Theoretische Grundlagen zu n 1 Funktionsprinzip und allgemeine Charakteristika n sind hocheffiziente elektrochemische Stromerzeuger. Die hat gegenüber der konventionellen Stromerzeugung ein einfacheres Funktionsprinzip: die direkte Umwandlung des Energieträgers in elektrische Energie. nkraftwerk chemische Energie elektrische Energie Wärme mechanische Energie Konventionelles Kraftwerk Abb. 1: Die im Vergleich zu herkömmlichen Stromerzeugungsverfahren Das Grundprinzip einer ist die direkte Stromerzeugung aus einem Brennstoff (z.b. Wasserstoff) und einem Oxidant (Sauerstoff) in einem elektrochemischen Prozess.

27 Eine besteht aus zwei Elektroden und dem Elektrolyten. Die Anode wird mit dem Brennstoff und die Kathode mit dem Oxidanten versorgt, der Elektrolyt verbindet die beiden Elektroden miteinander. An der Anode (Minus-Pol) wird der Brennstoff oxidiert. Die dabei abgegebenen Elektronen fließen über den äußeren Stromkreis zur Kathode (Plus-Pol). Hier wird der Oxidant durch Elektronenaufnahme reduziert. Durch den Elektronenfluss kann im äußeren Stromkreis Arbeit verrichtet werden. Der Ladungstransport in der wird durch die Ionenbewegung im Elektrolyten realisiert. Elektrischer Verbraucher e - e - Brennstoff e - e - Luft / Sauerstoff Ionen Elektrolyt Anode Kathode Abb. : Funktionsprinzip einer. Eine liefert damit wie Batterie und Akkumulator Energie aus einem elektrochemischen Prozess. Der wesentliche Unterschied besteht allerdings darin, dass bei der die Elektroden selbst nicht umgewandelt werden, die also nicht entladen werden kann. Vergleich von Batterie, Akkumulator und Gemeinsamkeit: Sie erzeugen elektrische Energie aus chemischer Energie über eine elektrochemische Reaktion. Unterschiede: Batterie: Entladen, wenn alle miteinander reagierenden Ausgangsstoffe verbraucht sind. Akkumulator: elektrochemische Reaktion reversibel, lässt sich nach Entladung wieder aufladen. : einsetzbar ohne Erschöpfung, Ausgangsstoffe werden bei Bedarf zugeführt.

28 Funktionsprinzip der "Zerlegbaren " Die zerlegbare ist in der Polymerelektrolyt-Membran-Technologie ausgeführt. Der Begriff Polymer-Elektrolyt-Membran- (PEMFC) bezieht sich auf die protonenleitende Polymerfolie, die als Elektrolyt dient. Der Begriff PEM steht für "Proton-Exchange-Membrane". Die PEM- wird mit Wasserstoff und Sauerstoff betrieben. Die elektrochemische Energiewandlung in der PEM- ist praktisch der Umkehrvorgang der Wasserelektrolyse. An der Anode werden Wasserstoffmoleküle unter Abgabe von Elektronen zu positiv geladenen Wasserstoffionen oxidiert. Die Wasserstoffionen diffundieren durch die ionenleitende Polymerelektrolytmembran (Elektrolyt) zur Kathode. An der Kathode reagieren die Wasserstoffionen mit Sauerstoff und den aus dem elektrischen Leiter zugeführten Elektronen zu Wasser. Abb. 3: Funktionsprinzip einer PEM-. Werden Anode und Kathode mit einem elektrischen Leiter (z.b. Elektromotor) verbunden, fließen die Elektronen (elektrischer Strom) von der Anode zur Kathode. Anode: H H + + e - Oxidation (Elektronenabgabe) Kathode: O + H + + e - H O Reduktion (Elektronenaufnahme) Gesamtreaktion: H + O H O G = -37 kj/mol (bei 5 C) Die theoretisch mögliche Spannung einer Einzelzelle ergibt sich aus den thermodynamischen Daten der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser. Der Wert für eine Einzelzelle beträgt unter Standardbedingungen 1,3 V. 1,3V = G z F Im Betrieb kommt es bei Stromfluss zu Verlusten (Überspannungen) z.b. durch Reaktionshemmungen (Experiment z3), Innenwiderstände (Experiment z5) oder eine ungenügende

29 Gasdiffusion (Experiment z). Dies führt in der Praxis zu niedrigeren Zellspannungen. Sie betragen für eine Einzelzelle typischerweise, -,9 V. Das Herzstück einer PEM- ist die Membran-Elektroden-Einheit. Die Membran wird dabei mit fein verteiltem Platinkatalysator beschichtet (etwa,1 -,5 mg Platin pro cm ). Die so beschichteten Membranen werden anschließend mit porösen Kohlenstoffelektroden in der verpresst. Dabei entsteht ein elektrischer Kontakt. Die Polymerelektrolytmembran reicht durch den Andruck teilweise in die porösen Elektrodenstrukturen hinein, es bildet sich die Grenzfläche Gas/Katalysator/Elektrolyt aus. Der Katalysator muss sowohl zum Gas als auch zu den Protonen-Leitern (Polymerelektrolytmembran) und Elektronen-Leitern (Elektroden) Kontakt haben. An diesen Stellen laufen die elektrochemischen Reaktionen ab (Abb. (Rechts)). In der Reaktion werden Wasserstoff und Sauerstoff katalytisch umgesetzt, die Elektroden werden selbst nicht verändert. Die Platin-Teilchen wirken als katalytische Zentren, die um so wirksamer sind je größer deren Oberfläche ist. Abb. : Schnitt durch eine (Polymerelektrolyt-)Membran-Elektroden-Einheit unter Verdeutlichung der bei der nreaktion ablaufenden Prozesse. Die Elektrolytmembran arbeitet wie ein Ionenaustauscher. Die Protonen der in der Membran enthaltenen Säuregruppen sind beweglich. Ist die Membran feucht, so transportiert sie Protonen zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode. Der elektrische Kontakt erfolgt über Stromableiter, in diesem Fall spezielle Edelstahllochbleche. Die Stromableiter müssen auch bei großen n den Gasantransport und den Wasserabtransport gewährleisten, d.h. gas- und flüssigkeitsdurchlässig sein. Der Strom einer ist proportional zur Fläche der Elektroden und erreicht Werte von bis zu A/cm.

30 Die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Die Strom-Spannungs-Kennlinie und die Leistungskennlinie der zerlegbaren können in den Experimenten bestimmt werden. In den Experimenten z3-z5 kann zusätzlich der Einfluss spezifischer Parameter auf die Form der Kennlinie untersucht werden. In Abb. 5 ist die Strom-Spannungs-Kennlinie einer schematisch dargestellt. Sie besteht aus 3 Bereichen, die typisch für elektrochemische Kennlinien sind. Strom in ma Abb. 5: Strom-Spannungs-Kennlinie einer eingeteilt in die drei Bereiche Katalyse, Widerstand der und Transport der Reaktanden. Wie lässt sich der Verlauf einer solchen Kennlinie verstehen? U (H /H 3 O + //H O/O ) ist die thermodynamisch maximal erreichbare Spannung, die eine liefern kann. Der Wert ergibt sich aus der elektrochemischen Spannungsreihe und beträgt 1,3 V. Die tatsächlichen Zellspannungen liegen immer darunter. Die Differenz aus der gemessenen Zellspannung und der thermodynamischen Spannung bezeichnet man als Überspannung. Die Größe der Überspannung ist das entscheidende Merkmal für die Leistungsfähigkeit einer. Die Überspannung setzt sich aus verschiedenen Beiträgen zusammen. Deren Größe bestimmt in Abhängigkeit vom Stromfluss den Verlauf der Kennlinie. Die Einzelbeiträge sind: (I) Durchtrittsüberspannung - Einfluss des Katalysators Bei kleinen Strömen und bei Spannungen nahe der thermodynamischen Spannung bestimmen die katalytischen Vorgänge an den Elektroden den Verlauf der Kennlinie. Dieser ist hier durch einen exponentiellen Anstieg des Stroms mit der Überspannung gekennzeichnet. Entscheidend für die Höhe des Stroms ist die Geschwindigkeit der katalytischen Umsetzung der Gase H und O, d.h. die Geschwindigkeit mit der die Elektronen durch die Grenze zwischen Pt-Katalysator und Elektrolyt

31 hindurchtreten. Dieser Elementarvorgang ist in Abb. (rechts) dargestellt. Die damit verbundene Überspannung bezeichnet man als Durchtrittsüberspannung. Die Menge an Katalysator bestimmt die Gesamthöhe des erreichbaren Stromes; je mehr Katalysator man verwendet, desto höher der erreichbare Strom (Experiment z3). (II) Innenwiderstand - Einfluss des Aufbaus der Jede hat einen Innenwiderstand (Elektrolyt, Stromableiter, innerer Aufbau, externe Verkabelung), der sich bei hohen Strömen als OHMscher Spannungsabfall bemerkbar macht. Die Spannungs-Strom-Kennlinie ist in diesem Fall linear, d.h. die Spannungsabnahme ist proportional der Stromerhöhung. Dieser Widerstand muss gerade bei großen n sehr klein gehalten werden, da es sonst zu großen Leistungseinbußen kommt. In Experiment z5 wird dieser Unterschied durch einen Einsteckwiderstand simuliert, d.h. es wird das Verhalten der Kennlinie in Abhängigkeit vom Gesamtwiderstand untersucht. (III) Diffusionsüberspannung - Einfluss des Stofftransportes Bei höheren Strömen wird der Antransport der Gase durch die poröse Elektrodenstruktur (Abb. (Mitte)) bestimmend. Eine Diffusionsüberspannung tritt dann auf, wenn die Gase am Katalysator schneller verbraucht werden, als sie dorthin diffundieren können. Typisches Indiz für das Auftreten einer Diffusionsüberspannung ist das "Abknicken" der Spannungs-Strom-Kennlinie nach unten. Die Spannung der wird mit Erhöhung des Stromes dann sehr schnell kleiner, die Elektrode "verarmt" an Gas. In der Experimentieranleitung z wird die Messung der Kennlinie im Luftbetrieb beschrieben. Sie knickt bei ca. ma ab, ein typisches Beispiel für eine Diffusionsüberspannung. Bei Einbau der Luftplatte ist der Strom beinahe so hoch wie bei Sauerstoffbetrieb, d.h. die erhält genug Sauerstoff aus der Umgebungsluft. Ziel jeder nentwicklung ist es, diese drei Überspannungsbeiträge zu minimieren durch (I) bessere Elektrokatalysatoren, (II) gut leitende Materialien und Kontakte, sowie (III) optimierte Elektrodenstrukturen und Gasführungen.