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

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Hilke Hafner
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TU Bergakademie Freiberg Institut für Werkstofftechnik Schülerlabor science meets school Werkstoffe und Technologien in Freiberg PROTOKOLL SEKUNDARSTUFE II Modul: Versuch: Elektrochemie 1 Abbildung

1 TU Bergakademie Freiberg Institut für Werkstofftechnik Schülerlabor science meets school Werkstoffe und Technologien in Freiberg PROTOKOLL SEKUNDARSTUFE II Modul: Versuch: Elektrochemie 1 Abbildung 1: [1] I. HINTERGRUND n sind aktueller Gegenstand der Forschung und könnten bald in vielen Bereichen herkömmliche Verbrennungsmotoren ersetzen. Durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser kann mit ihnen chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die Betrachtung des Wirkungsgrads dieser Reaktion. In diesem Versuch soll ein Überblick über dieses Thema gegeben werden. Weitere Informationen sind in Grundlagen zu finden. II. Versuchsziel und Aufgabenstellung Mit der PEM soll Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser umgesetzt und die dabei freiwerdende elektrische Energie gemessen werden. Dazu werden folgende Aufgaben ausgeführt: Aufbau des Versuchs zur Aufnahme der I U und der P I Kennlinien der Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff mit dem Elektrolyseur Umbau des Versuchs zur Aufnahme der 2HV t Kennlinien Berechnung des energetischen und des faradayschen Wirkungsgrads der

2 III. Durchführung Aufnahme der I U Kennlinie Benötigte Geräte und Materialien: 1 PEM Elektrolyseur 1 2 V Netzteil 1 PEM 1 Platine mit Widerstandsdekade 1 Amperemeter 1 Voltmeter diverse Kabel mit Steckverbindern destilliertes Wasser zum Nachfüllen des PEM Elektrolyseurs Die Schaltung wird wie in Abbildung 2 aufgebaut: 2 Abbildung 2: Aufbau der Schaltung zur Aufnahme der I U und P I Kennlinien [1] Aufnahme der Messwerte: Der Elektrolyseur wird über ein 2 V Netzteil an das Netz geschlossen. Die Schläuche des Wasserstoffspeichers und des Sauerstoffspeichers werden mit den dafür vorgesehenen Anschlüssen an der verbunden. Die Ausgangsventile der werden geschlossen und mit dem Elektrolyseur einige Zeit Wasser zersetzt, bis die Gasvolumina in den Speichern etwa 20 ml betragen. Danach werden die Ausgangsventile der kurz geöffnet, um Restluft auszuspülen. Nach dem erneuten Verschließen der Ventile wird die Widerstandsdekade auf Leerlauf (R= ) gestellt und weiter Gas am Elektrolyseur produziert. Wenn genug Sauerstoff und Wasserstoff vorhanden sind, wird mit der Messung begonnen. Dazu wird R zu kleineren Widerständen durchgeschaltet und dabei jeweils der Strom I und die Spannung U in Tabelle 1 notiert. Wichtig ist eine Wartezeit von etwa 20 s zwischen den Messungen, damit das System wieder den statischen Zustand erreicht. Achtung: Keine Spannungen über 2 V verwenden, sonst wird der Elektrolyseur beschädigt!

3 Messwertetabelle Tabelle 1: Messwerte der I U und P I Kennlinien Aufnahme der V H2 t Kennlinien Benötigte Geräte und Materialien wie im ersten Teil des Versuchs Die Schaltung wird wie im ersten Teil des Versuchs aufgebaut (s. Abb. 1). Aufnahme der Messwerte: 3 Wie im ersten Teil des Experiments wird mit dem Elektrolyseur erst einige Zeit Wasserstoff produziert und dann das System entlüftet. Danach werden im Elektrolyseur genau 20 ml Wasserstoff produziert und die Spannungsversorgung abgestellt. Jetzt kann der Stromkreis der geschlossen und dabei zeitgleich der Auslöser der Stoppuhr betätigt werden. Bei einem Füllstand des Speichers von V=15, 10 und 5 ml wird jeweils die Zeit gestoppt und Stromstärke und Spannung in Tabelle 2 notiert. Die Messung sollte mit drei verschiedenen Lastwiderständen durchgeführt werden.

4 Tabelle 2: Messwerte der Messwerte der V H2 t Kennlinien IV. Auswertung Darstellung der Kennlinien Die I U Kennlinie der (s. Abb. 3) ergibt sich aus den Messwerten der Tab. 1. Zum besseren Vergleich mit der Leistungskurve sind die Achsen vertauscht. Bei kleinen Spannungen fließt ein Strom und bei großen Spannungen ein.. Strom. Wenn der Lastwiderstand R gegen geht, dann liegt eine Leerlaufspannung von V an und es fließt. Strom. Wird der Lastwiderstand sehr klein (R 0), so fließt der Kurzschlussstrom IK= A. Der Verlauf der Leistungskennlinie (s. Abb. 4) hat bei. A ein.. An diesem Punkt besitzt die die Leistung. Der dafür nötige Lastwiderstand beträgt Ω. Die 2HV t Kennlinien der (s. Abb. 4) ergeben sich aus den Messwerten der Tab. 2. Das verbrauchte Gasvolumen V H2 ist der Zeit t dabei.. Je höher die elektrische Leistung der Zelle, desto ist der Gasverbrauch. 4

5 Abbildung 3: I U Kennlinie der 5 Abbildung 4: P I Kennlinie der

6 Abbildung 5: V H2 t Kennlinie der Berechnung des Energetischen Wirkungsgrads Der energetische Wirkungsgrad wird mit Formel (1) berechnet. 6 HU unterer Brennwert des Wasserstoffs [10,8 W s ml 1] Setzt man Werte aus Tab. 2 ein, so ergibt sich z.b. ein energetischer Wirkungsgrad von: Faradayscher Wirkungsgrad Der Faradaysche Wirkungsgrad ηf wird mit Formel (2) berechnet.

7 T absolute Temperatur [K] n Stoffmenge des Gases [mol] p Luftdruck [Pa] R universelle Gaskonstante [8,315 J K 1 mol 1] NA Avogadrokonstante [6, mol 1] z Anzahl der Elektronen die zur Bildung [2 Elektronen] eines Moleküls H 2 benötigt werden e Elementarladung [1, A s] Setzt man Werte aus Tabelle 2 ein, so ergibt sich z.b. ein faradayscher Wirkungsgrad von: Fragen 1. Warum muss deionisiertes Wasser verwendet werden? 2. Welche Anforderungen an den Lastwiderstand ergeben sich aus der Leistungskurve, wenn die mit maximaler Leistung betrieben werden soll? 3. Welcher Wirkungsgrad ist bei Wasserstoff Sauerstoff n prinzipiell erreichbar und wodurch wird er limitiert? 4. Was sagt der energetische Wirkungsgrad aus? Wovon hängt er ab und warum ist er deutlich kleiner als der ideale Wirkungsgrad? 5. Was sagt der faradaysche Wirkungsgrad aus? 6. Welche Fehler können während der Messung auftreten und die Ergebnisse beeinflussen? 7 LITERATUR [1] Schülerexperimente, h tec, 2003

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