Wind-Wasserstoff-Anlage

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1 Wind-Wasserstoff-Anlage ENT Schlüsselworte Elektrolyse, Protonen-Austausch-Membran, Brennstoffzelle, Windkraftanlage, Wasserstoff, Energieumwandlung Prinzip Windenergie kann mit Hilfe eines Windgenerators und eines Elektrolyseurs in Wasserstoff (chemische Energie) umgewandelt und gespeichert werden. Im Versuch werden ein kleiner Motor und eine Glühlampe mit der Wind-Wasserstoff-Anlage betrieben. Dabei wird vor allem untersucht wie sich die beiden Verbraucher zu Beginn und am Ende der Wasserstoffzufuhr verhalten. Sicherheitshinweise Destilliertes Wasser, Schutzbrille Elektrolyseur vorbereiten Material *1 Leitungsbaustein, gerade, DB *4 Leitungsbaustein, winklig, DB *1 Leitungsbaustein, unterbrochen, DB *2 Leitungsbaustein, Anschlussbaustein, DB *1 Lampenfassung, DB *1 Motor mit Scheibe, 5 V, DB Gebläse, 12 V Generator mit 3 mm Achse Rotor, 2 Stück *2 Klemmhalter mit 2 Spannstellen Muffe auf Träger für Demo-Tafel *1 Glühlampe 1,5 V / 0,15 A, 1 St. von Doppel PEM Elektrolyseur, DB Doppel PEM Brennstoffz. m. Luftopt., DB Gasspeicher auf Magnetplatte, DB Baustein mit Magnetplatte, DB Metallwinkel f. Baustein m. Magnetplatte Leitungsbaustein, winklig mit Buchse Doppelbuchsen, 1 Paar Abb. 1: Versuchsaufbau P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 ENT Wind-Wasserstoff-Anlage 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 Handmessgeräte **1 Software measure für Cobra Verbindungsleitung 250 mm, rot Verbindungsleitung 250 mm, blau Verbindungsleitung 250 mm, gelb Verbindungsleitung 500 mm, rot Verbindungsleitung 500 mm, blau Verbindungsleitung 750 mm, rot Verbindungsleitung 750 mm, blau 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 sollten Elektrolyseur und Brennstoffzelle etwa 5 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 - Die Stromkreise für Elektrolyseur und Brennstoffzelle nach Abb. 1 aufbauen. - Darauf achten, dass das rote Kabel von der Brennstoffzelle mit der ma -Buchse der Cobra4 Sensor- Unit Energy verbunden wird. - Auf die Polung des PEM Elektrolyseurs achten. Die in Reihe geschalteten Windgeneratoren so an den Elektrolyseur anschließen, dass der rote Stecker mit dem positiven Pol des Elektrolyseurs verbunden wird und der blaue Stecker mit dem negativen Pol. - 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 weiterer Schlauch anbringen und mit einer Schlauchklemme verschließen. Abb. 2: Gasspeicher verbinden 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

3 Wind-Wasserstoff-Anlage ENT - 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. - 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 und der Gasspeicher an der positiven Seite mit O 2. - Die Ausgangsstutzen der Brennstoffzelle sind offen und die Öffnungen für Luftoption sind verschlossen. - An der linken Seite der Tafel die beiden Muffen auf Träger sorgfältig festschrauben und darin die Gebläse haltern. - Die Gebläse so ausrichten, dass sie einen waagerechten Windstrahl entlang der Tafel erzeugen. - Das untere Gebläse mit dem Gleichspannungsausgang des Netzgerätes verbinden und das obere Gebläse mit dem unteren parallel schalten. - Das Netzgerät ist ausgeschaltet. - Je 6 Rotorblätter an den Windgeneratoren befestigen. - Die Windgeneratoren jeweils mit einem Klemmhalter so vor dem Gebläse platzieren, dass der Abstand etwa 5 cm beträgt (Abb. 4) Durchführung - PC und Windows starten. - Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PC stecken. - Softwarepaket measure am PC starten. Abb. 3: Gasspeicher füllen Abb. 4: Aufbau Gebläse und Generator - 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. 5). - Netzgerät einschalten und eine Spannung von 12 V einstellen. - Ist der Wasserstoff-Gasspeicher mit mindestens 10 cm 2 Gas gefüllt, werden die Schlauchklemmen geöffnet. - Netzgerät ausschalten. - Wenn der Motor stehen bleibt, Messwertaufnahme in measure starten. - Netzgerät einschalten. - Den Motor bei den folgenden Schritten beobachten. - Nach einer Minute die Schlauchklemme an der Wasserstoffseite der PEM Brennstoffzelle schließen. - Wenn der Motor stehen bleibt, die Schlauchklemme öffnen. - Nach etwa einer Minute die Schlauchklemmen wieder schließen. P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 ENT Wind-Wasserstoff-Anlage - Warten bis Leistung auf 0 W sinkt. - Motor gegen Lampenfassung mit 1,5-V-Glühlampe austauschen. - Schlauchklemme öffnen und Glühlampe beobachten. - Etwa eine Minute warten. - Netzgerät ausschalten. - Warten bis Leistung auf 0 W sinkt. - Messwertaufnahme in measure beenden. - Alle Messungen an das measure Hauptprogramm übertragen. Beobachtung Mit dem Einschalten des Netzgerätes beginnen die Gebläse und die Generatoren zu laufen. Der PEM Elektrolyseur produziert dann sehr langsam Blasen, die in die Gasspeicher fließen. Nach dem Einschalten des Netzgerätes dauert es eine ganze Weile, bis der Motor zu rotieren beginnt, während der Motor sofort anläuft, wenn die Schlauchklemme auf der Wasserstoffseite geöffnet wird. Sowohl beim Abklemmen des Siliconschlauches, als auch beim Ausschalten des Netzgerätes läuft der Motor noch eine Weile nach, wird langsamer und hört schließlich auf zu rotieren. Die Glühlampe brennt nur kurz, wenn die Schlauchklemme geöffnet wird. Auswertung Die beiden Windgeneratoren erreichen durch Reihenschaltung eine Leerlaufspannung von ca. 6,5 V. Beim Anschluss des Elektrolyseurs sinkt die Spannung auf ca. 3,13 V. Sie reicht aus um Wasser zu trennen und geringe Mengen Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen. Obwohl Gas sofort mit dem Einschalten des Netzgerätes im Elektrolyseur entsteht, muss erst ein ausreichender Druck entstehen, sodass der Wasserstoff zur Brennstoffzelle gelangt und damit der Motor läuft. Abb. 5: Messwerterfassung 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

5 Wind-Wasserstoff-Anlage ENT Abb. 6: Messauswertung Öffnet man die Schlauchklemme, wenn sich bereits Gas gesammelt hat, dann strömt konzentrierter Wasserstoff wegen des Überdruckes zur Brennstoffzelle und der Motor läuft sofort. Dabei entsteht ein Peak, da der Motor ruckartig Reibung überwinden muss. Mit Hilfe der Funktion Vermessen lässt sich beim Motor eine Leistung von etwa 21 mw messen (Abb. 6), bei der Lampe hingegen werden 123 mw erreicht. Da sie deutlich mehr elektrische Energie benötigt erlischt sie relativ schnell, da die produzierte Gasmenge nicht ausreicht. Dennoch fließt ein Strom, da der Glühdraht ein Leiter ist, sodass eine Restleistung messbar ist. Anwendung Wasserstoff als Speichermedium ist CO 2 -frei und ungiftig. Er hat außerdem eine sehr hohe Energiedichte und den Vorteil, dass das Gas nicht nur zur Stromerzeugung genutzt werden kann, sondern zum Beispiel auch zur Wärmegewinnung, durch Verbrennung. Hinweise Korrespondenz Schülerversuche TESS EN Wind-Wasserstoff-Anlage (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 5

6 ENT Wind-Wasserstoff-Anlage Raum für Notizen 6 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P