Strom-Spannungs-Kennlinie und Leistung einer PEM Brennstoffzelle

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1 Strom-Spannungs-Kennlinie und Leistung ENT Schlüsselworte Brennstoffzelle, Protonen-Austausch-Membran, Kennlinie, elektrische Leistung, Innenwiderstand, Wasserstoff Prinzip In reagieren Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser und dabei entsteht elektrische Energie. Die elektrische Leistung ist von der Größe des Lastwiderstandes abhängig. Diese Brennstoffzelle kann sowohl mit Sauerstoff als auch mit Luft versorgt werden. Die Kennlinien von beiden Betriebsarten werden miteinander verglichen. Sicherheitshinweise Destilliertes Wasser, Schutzbrille Elektrolyseur vorbereiten Material *4 Leitungsbaustein, winklig, DB *1 Leitungsbaustein, gerade, DB *1 Leitungsbaustein, unterbrochen, DB *2 Leitungsbaustein, Anschlussbaustein, DB Leitungsbaustein winklig mit Buchse, DB Widerstandsdekade, DB Doppel PEM Elektrolyseur, DB Doppel PEM Brennstoffz. m. Luftopt., DB Gasspeicher auf Magnetplatte, DB Baustein mit Magnetplatte, DB Metallwinkel f. Baustein m. Magnetplatte Zusätzlich wird benötigt 1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell Netzgerät universal **1 Cobra4 Wireless-Manager **1 Cobra4 Wireless-Link **1 Cobra4 Sensor-Unit Energy **1 Halter für Cobra4-System **1 Software measure für Cobra Verbindungsleitung 250 mm, rot Verbindungsleitung 250 mm, gelb Verbindungsleitung 500 mm, blau Verbindungsleitung 750 mm, rot Verbindungsleitung 750 mm, blau Abb. 1: Versuchsaufbau P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 ENT Strom-Spannungs-Kennlinie und Leistung 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. In diesem Versuch sollte die Stromstärke des Elektrolyseurs mindestens 1 A betragen, damit die Kennlinie der Brennstoffzelle gut ausgemessen werden kann. Ist dies nicht der Fall müssen die beiden Anschlüsse des Elektrolyseurs für etwa eine Minute kurzgeschlossen werden. Vor der Versuchsdurchführung sollten Elektrolyseur und Brennstoffzelle etwa 2 min im Leerlauf (Schalterstellung ) in Betrieb sein. 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 - Die Stromkreise für Elektrolyseur und Brennstoffzelle nach Abb. 1 aufbauen. - Das Netzgerät ist ausgeschaltet. - Die Widerstandsdekade auf (offen) einstellen. - Auf die Polung des PEM Elektrolyseurs achten. - Darauf achten, dass das rote Kabel der Brennstoffzelle mit der A -Buchse der Cobra4 Sensor-Unit Energy verbunden wird (Messbereich mit einem sehr kleinen Innenwiderstand von nur 32 mω). - 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 zur unteren Markierung mit destilliertem Wasser füllen (Abb. 3). - Schläuche nach oben halten und Schlauchklemmen öffnen, sodass das Wasser in den unteren Teil der Gasbehälter fließt. Abb. 2: Gasspeicher verbinden Abb. 3: Gasspeicher füllen (untere Markierung) 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

3 Strom-Spannungs-Kennlinie und Leistung ENT - Die Schlauchklemmen schließen. - Die Schläuche mit den Eingangsstutzen der Brennstoffzelle verbinden (Abb. 1). Darauf achten, dass der Gasspeicher am negativen Pol des Elektrolyseurs mit der Seite für H 2 der Brennstoffzelle verbunden ist der Gasspeicher an der positiven Seite mit O 2. - Die Ausgangsstutzen der Brennstoffzelle sind offen. Die Öffnungen für die Luftoption sind verschlossen. Durchführung - PC und Windows starten. - Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PC stecken. - Softwarepaket measure am PC starten. - Cobra4 Wireless-Link mit der Cobra4 Sensor-Unit verbinden. Nach dem Einschalten wird die Sensor-Unit automatisch erkannt und dem Cobra4 Wireless-Link wird eine ID-Nummer zugewiesen, die im Display sichtbar ist. Die Kommunikation zwischen dem Cobra4 Wireless Manager und dem Cobra4 Wireless-Link wird durch die 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 laden (Experiment>Experiment öffnen> ). Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen zur Messwertaufnahme geöffnet (Abb. 4). - Am Netzgerät die Spannung auf 0 V und die Strombegrenzung auf 2 A einstellen. - Das Netzgerät einschalten. - Spannung am Netzgerät auf 4 V stellen. - Kontrollieren, dass der Stellknopf der Widerstandsdekade auf Position (offen) steht. Abb. 4: Messwerterfassung beim Betrieb H2 / O2 P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 ENT Strom-Spannungs-Kennlinie und Leistung einer PEM Brenstoffzelle 1. Versuch: Betrieb Wasserstoff / Sauerstoff - Messwertaufnahme in measure starten. - Einzelmessung durchführen. - Widerstandsdekade auf 330 Ω stellen s warten (damit sich in der Brennstoffzelle ein neuer Gleichgewichtszustand einstellt). - Einzelmessung durchführen. - Weitere Einzelmessungen bis zur Schalterstellung 0 Ω (Kurzschluss) durchführen, dabei vor jeder Messung wieder 30 s warten - Messwertaufnahme in measure beenden. - Alle Messungen in das measure Hauptprogramm übertragen. - Netzgerät ausschalten. - Stellknopf der Widerstandsdekade auf Position (offen) drehen. 2. Versuch: Betrieb Wasserstoff / Luft - Auf der Sauerstoffseite der Brennstoffzelle die Schlauchklemme schließen und den Schlauch von der Eintrittsöffnung abziehen. - Gummikappen von den Öffnungen für Luftoption entfernen. - Netzgerät einschalten. - Zur Durchführung einer neuen Messung in das Cobra4 Messprogramm wechseln. - Etwa 2 min warten, bis die Spannung konstant bleibt. - Messwertaufnahme in measure starten. - Messung entsprechend Versuch 1 durchführen. - Messwertaufnahme in measure beenden. Abb. 5 Messwerterfassung beim Betrieb H2 / Luft 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

5 Strom-Spannungs-Kennlinie und Leistung ENT - Alle Messungen in das measure Hauptprogramm übertragen. - Netzgerät ausschalten und Spannung auf 0 V stellen. - Stellknopf der Widerstandsdekade auf Position (offen) drehen. Beobachtungen und Ergebnisse In beiden Betriebsarten besitzen die Leistungskurven ein Maximum, das bei einer Spannung zwischen 0,7 und 1 V liegt und bei Widerständen von ca. 1 Ω bzw. ca. 3,3 Ω. Beim Betrieb mit reinem Sauerstoff ist die Leistung in diesen Experimenten etwa doppelt so groß wie mit Luftbetrieb. Die Stromstärke der Brennstoffzelle steigt bei beiden Kennlinien von hohen Widerständen bzw. Spannungen kommend an. Hinweis: Vor allem beim Betrieb H 2 / O 2 hängt die maximale Stromstärke im Bereich kleiner Widerstände von der Wasserstoffproduktion d. h. von der Stromstärke des Elektrolyseurs ab. Die Stromstärke der Brennstoffzelle kann maximal die Stromstärke des Elektrolyseurs erreichen, der in diesem Beispiel über 1,5 A lag, sodass die ideale Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzelle ausgemessen werden konnte. Auswertung Mit Hilfe der Funktionen Vermessen lässt sich in Abb. 6 die Position des Leistungsmaximums und der Innenwiderstand der Brennstoffzelle bestimmen. Zusätzlich zur Skala für die Stromstärke I auf der linken Seite des Diagramms kann durch Anklicken des Symbols P mit der rechten Maustaste auf der rechten Seite die skalierte Achse für die Leitstung dargestellt werden. Beim Maximum der Leistungskurve wird an der Strom-Spannungs-Kennlinie mit der Funktion Vermessen die zu dieser Spannung gehörende Stromstärke I abgelesen. Der Widerstand im Leistungsmaximum ist so groß wie der Innenwiderstand der Brennstoffzelle. Entsprechend erfolgt die Auswertung für den Betrieb H 2 / Luft. Abb. 6 Kennlinien beim Betrieb H 2 / O 2 P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

6 ENT Strom-Spannungs-Kennlinie und Leistung einer PEM Brenstoffzelle Betrieb H 2 / O 2 Das Maximum der Leistungskurve ergibt folgende Werte (Abb. 6): P = 488 mw U = 0,74 V I = 664 ma Innenwiderstand: R i = 1,1 Ω Betrieb H 2 / Luft Das Maximum der Leistungskurve ergibt folgende Werte: P = 279 mw U = 0,81 V I = 357 ma Innenwiderstand: R i = 2,3 Ω Beim Betrieb mit Luft sinken Stromstärke und Leistung, der Innenwiderstand einer Brennstoffzelle steigt. Hinweis zur Auswertung Steht die Widerstandsdekade in der Schalterstellung 0 Ω (Kurzschluss), dann gibt es im Stromkreis noch weitere, sehr kleine Widerstände: den Innenwiderstand des Amperemeters der Cobra4 Sensor-Unit Energy und die Steckverbindungen der Kabel und die Bausteinverbindungen. Diese bewirken, dass die gemessenen Kennlinien nicht bei U = 0 V beginnen. 6 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

7 Strom-Spannungs-Kennlinie und Leistung ENT Anwendung Mit Hilfe der Strom-Spannungs-Kennlinie einer Spannungsquelle lässt sich beschreiben, wie sie sich bei Anschluss eines Verbrauchers verhält und welche Leistung sie maximal abgeben kann. Mit dieser Brennstoffzelle lässt sich z. B. eine kleine Glühlampe mit 1,5 V und 150 ma, also mit einem Innenwiederstand von 10 Ω, gut betreiben. (Glühlampe aus in Lampenfassung, DB ) Abb. 7 Betrieb einer Glühlampe mit der Brennstoffzelle Korrespondenz Schülerversuche TESS EN 4.7 Strom-Spannungs-Kennlinie (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 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger Halter für Handmessgeräte Digitale Großanzeige Versuch P Arbeits- und Leistungsmessgerät P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 7