Physikalisch-Chemisches Praktikum für Fortgeschrittene V 12. Dynamische Elektrochemie. Brennstoffzelle

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1 Physikalisch-Chemisches Praktikum für Fortgeschrittene V 12 Dynamische Elektrochemie Brennstoffzelle Kurzbeschreibung: Dieser Versuch befasst sich mit dem Wechselspiel von elektrochemischen Potentialen, Reaktionsraten für Wasserelektrolyse bzw. elektrochemische Wasserstoffoxidation, sowie Elektronen- und Stofftransport, welches sich in den /s-kennlinien von Elektrolyse- und Brennstoffzellen widerspiegelt. Besonderes Augenmerk liegt auf den technologisch bedeutsamen Wirkungsgraden für die Umwandlung elektrischer in chemische Energie und umgekehrt. Hierzu sollen in Experiment und Auswertung vor allem die Zusammenhänge Zellspannung/freie Reaktionsenthalpie/Reaktionsbarrieren sowie / Reaktionsrate/Reaktionsbarrieren herausgearbeitet werden. Hinweis: zur optimalen Vorbereitung des Kolloquiums und der praktischen Versuchsdurchführung sollten Sie vorab auch die Bedienungsanleitung der Apparatur (Zusatzliteratur) durchgelesen haben. Überarbeitetes Versuchsskript, Version 2.1, H.E. Hoster, Y. E. Seidel, Mai 2008

2 Universität Ulm, Physikalisch-Chemisches Praktikum für Fortgeschrittene, Versuch 12: Brennstoffzelle 2 1 Versuchsdurchführung 1.1 Veranschaulichung der Energiekette Photovoltaik Elektrolyse Speicherung gewinnung Schließen Sie die Solarzelle an den Elektrolyseur an. Messen Sie mit einem Digitalvoltmeter die, die (a) von den Solarzellen nach Einschalten des Scheinwerfers erzeugt wird und am Elektrolyseur anliegt, sowie (b) diejenige, die nach wenigen Minuten der Gasentwicklung von der Brennstoffzelle erzeugt wird. Messen Sie die Brennstoffzellenspannung mit und ohne angeschlossenen Lüfter. Wodurch erklärt sich der Unterschied? Welche ist maximal zu erwarten und warum? 1.2 Experimentierbetrieb s-kennlinie des Elektrolyseurs Lernziele: Kinetische Barrieren der elektrochemischen Wasserstoffgewinnung, Elektrolyseströme bei verschiedenen mit einem Netzteil vorgegebenen en, Doppelschichtkapazität Vorbereitung: 1. Koppeln Sie die Leitungen zur Brennstoffzelle von den Gasspeichern ab, so dass das entwickelte Gas auf beiden Seiten frei entweichen kann. 2. Schließen Sie den Elektrolyseur zusammen mit Volt- und Amperemeter gemäß der Abbildung an eine regelbare squelle an. Diese muss zu Beginn auf 0 V stehen! 3. Ziehen Sie zunächst die Anschlussstecker wieder aus dem Netzteil und verbinden Sie diese für 5 Minuten miteinander, um die Zelle kurzzuschließen. Netzteil max. 2 V I U Elektrolyseur Wichtig: Es dürfen niemals mehr als 2.5 V am Elektrolyseur anliegen! (Warum?)

3 Universität Ulm, Physikalisch-Chemisches Praktikum für Fortgeschrittene, Versuch 12: Brennstoffzelle 3 Durchführung und Auswertung: 1. Schließen Sie die Kabel wieder an das Netzteil an, aber belassen Sie die zunächst bei 0 V. 2. Erhöhen Sie die in Schritten von 100 mv bis auf 1.4 V und beobachten Sie den nach Erreichen einer höheren. Erniedrigen Sie die durch rasches Drehen am Regler kurzzeitig wieder auf 0.8 V. Wie lässt sich jeweils das zeitliche Verhalten des es verstehen? 3. Erhöhen Sie, beginnend bei 1.4 V, die in Schritten von mv bis auf 2 V, und tragen Sie jeweils, und Leistung in das Messprotokoll ein. Wichtig: Warten Sie mindestens 30 Sekunden nach Einstellen eines neuen swertes, bis sich der stabilisiert hat. Nachträgliche Auswertung: 1. Bestimmen Sie die Zersetzungsspannung U z durch Extrapolation des ohmschen Bereichs der Kurve auf die sachse. 2. Tragen Sie den Elektrolysestrom als Funktion der für jeden Punkt berechneten Leistung auf. In welchem Bereich arbeitet der Elektrolyseur am wirtschaftlichsten, d.h., wo ist das Verhältnis (~Stoffumsatz)/Leistung am besten? 3. Wie entstehen die Verluste außerhalb dieses Bereichs? Erstes Faraday sches Gesetz und Wirkungsgrad h Lernziele: Zusammenhänge zwischen Elektrolysestrom und umgesetzter Stoffmenge, Messung des als Funktion der Zeit und der Ladung entwickelten Gasvolumens Mit dem Wasserstoff-Modellsystem lässt sich das 1. Faradaygesetz für den Elektrolyseur bestätigen. Wie berechnet sich bei konstantem das Volumen V des vom Elektrolyseur in einer bestimmten Zeit t erzeugten Wasserstoffs bzw. Sauerstoffs? Vorbereitung: 1. Die regelbare - bzw. squelle, sowie Volt- und Amperemeter bleiben angeschlossen wie im vorangehenden Versuchsteil. Die squelle steht wieder auf 0V. 2. Schließen Sie die Ausgänge des Elektrolyseurs an die Gasspeicher an. Die Leitungen zur Brennstoffzelle werden in zwei Bechergläser geleitet und bleiben mit den Schlauchklemmen zunächst verschlossen. Nach oben werden die Gasspeicher mit den Ausgleichsbehältern verschlossen, deren Eingänge mit Schläuchen bis knapp oberhalb der Gaseinlasslöcher reichen.

4 Universität Ulm, Physikalisch-Chemisches Praktikum für Fortgeschrittene, Versuch 12: Brennstoffzelle 4 3. Stellen Sie einen Arbeitspunkt im linearen Bereich der -s-kennlinie ein (z.b. einen konstanten von 1 A). Technischer Hinweis: Bei den meisten Labornetzgeräten kann entweder die oder der geregelt werden, oft wird die entsprechend konstant gehaltene Größe durch ein leuchtendes Lämpchen angezeigt. 4. Unterbrechen Sie die versorgung (abziehen eines Bananensteckers vom Netzteil) und entleeren die Gasspeicher durch Öffnen der Schlauchklemmen. Durchführung: 1. Schließen Sie den kreis wieder und starten Sie die Stoppuhr. 2. Lesen Sie in Schritten von 10 cm³ produzierten Wasserstoffs die Messwerte für das Volumen des gleichzeitig produzierten Sauerstoffs, die Zeit t, den I und die U ab, bis der H 2 -Speicher gefüllt ist. Tragen Sie diese Werte in die Tabelle ein. 3. Wiederholen Sie die Messreihe für eine weitere stärke im Bereich A. 4. Nach der zweiten Messung wird die zufuhr zum Elektrolyseur wieder unterbrochen, die Speicher bleiben jedoch mit Wasserstoff und Sauerstoff gefüllt. Auswertung: Die folgenden Schritte sind für beide stärken durchzuführen 1. Bestimmen Sie die mittlere Leistung 2. Berechnen für jeden Messpunkt die elektrische Ladung, die seit t=0 durch die Elektrolysezelle geflossen ist. Als t=0 kann der Zeitpunkt des ersten abgelesenen Gasfüllstandes gewählt werden. 3. Tragen Sie aus den Messwerten die Volumina V(H 2 ) und V(O 2 ) über die Zeit auf. 4. Tragen Sie beide Volumina auch als Funktion der Ladung auf. 5. Diskutieren Sie die Kurvenverläufe in Zusammenhang mit dem Faradaygesetz. 6. Berechnen Sie aus der Auftragung Volumen/Ladung den wirkungsgrad η (auch Faradaywirkungsgrad genannt), d.h., das Verhältnis aus tatsächlich erzeugter Gasmenge und dem aus dem Faraday-Gesetz theoretisch errechneten Wert für Sauerstoff und Wasserstoff. Diskussion: 1. Was sind die Ursachen für den Unterschied zwischen Theorie und Experiment?

5 Universität Ulm, Physikalisch-Chemisches Praktikum für Fortgeschrittene, Versuch 12: Brennstoffzelle 5 2. Bestimmen Sie anhand des erzeugten Wasserstoffs den Leistungswirkungsgrad des Elektrolyseurs im gewählten Arbeitspunkt (also erzeugter Brennwert pro eingesetzte Leistung) Umwandlung der unter II. erzeugten Gasmenge in elektrische Energie Lernziele: Wirkungsgrad der Brennstoffzelle, ein vorgegebenes Gasvolumen wird unter gewinnung in Wasser umgewandelt, abermals Relation von Gasmenge und Ladung Vorbereitung: 1. Die zufuhr zum Elektrolyseur bleibt unterbrochen. Die Brennstoffzelle wird wieder an die Gastanks gekoppelt, wobei die Schlauchklemmen jedoch zunächst geschlossen bleiben. Wichtig: Die Gas/Wasser-Ausgänge der Brennstoffzelle bleiben ebenfalls verschlossen. 2. Schließen Sie Voltmeter, Amperemeter, und als Verbraucher den Ventilator gemäß der Abbildung an die elektrischen Ausgänge der Brennstoffzelle an. Um das Experiment zu beschleunigen, kann parallel zum Ventilator ein Widerstand von 1 Ohm geschaltet werden. Durchführung: 1. Öffnen Sie die Verbindung von den Gastanks zur Brennstoffzelle 2. Sobald und messbar werden, tragen Sie diese in regelmäßigen Zeitabständen zusammen mit der Zeit und den Pegelständen in den Gastanks in die Tabelle ein. 3. Das Experiment ist beendet, sobald der Wasserstoff aufgebraucht ist Brennstoffzelle U I Verbraucher Für welches der beiden Gase werden die Faradaygesetze offenbar verletzt? Wie lässt sich dies erklären?

6 Universität Ulm, Physikalisch-Chemisches Praktikum für Fortgeschrittene, Versuch 12: Brennstoffzelle 6 Auswertung: 1. Berechnen Sie zu jedem Messpunkt die Leistung. 2. Berechnen Sie zu jedem Messpunkt die seit Startzeitpunkt verbrauchte Ladung und entnommene elektrische Energie. 3. Tragen Sie das Wasserstoffvolumen als Funktion der Ladung auf und überprüfen Sie, inwieweit der Kurvenverlauf durch die Faraday-Gesetze erklärbar ist. Diskutieren Sie mögliche Abweichungen. Berechnen Sie auch für die Brennstoffzelle den wirkungsgrad. 4. Vergleichen Sie die entnommene elektrische Energie mit dem theoretischen Brennwert der umgesetzten Wasserstoffmenge s-kennlinie der Brennstoffzelle Lernziele: Verhalten der Brennstoffzelle bei variierter Leistungsentnahme Vorbereitung (siehe auch Abbildung): 1. Betreiben Sie den Elektrolyseur mit dem Netzteil bei 1,8 V, und messen Sie den mit dem in Reihe geschalteten Amperemeter. Die Ausgänge beider Gasspeicher werden geöffnet und beide Gase können frei in die Brennstoffzelle strömen. Die Ausgänge der Brennstoffzelle bleiben ebenfalls so weit geöffnet, dass sich gerade kein Gas in den Gasspeichern ansammeln kann und ein langsamer Gasfluss durch die Brennstoffzelle entsteht. 2. Schließen Sie an den Ausgang der Brennstoffzelle das Voltmeter und die Widerstandsdekade gemäß der Abbildung an. Lassen Sie den kreis jedoch zunächst geöffnet, um die Leerlaufspannung der Zelle zu messen. Lassen Sie die Ausgangsschläuche der Brennstoffzelle so lange geöffnet, bis sich die Leerlaufspannung stabilisiert hat. Durchführung: Nehmen Sie die -skennlinie der Brennstoffzelle auf. Beginnen Sie mit der Leerlaufspannung und gehen Sie dann die Widerstandsdekade von größeren zu kleineren Widerständen durch. Messen Sie und mit den jeweiligen Messgeräten. Um möglichst viele Messpunkte zu haben, sollten Sie die Widerstände kombinieren, also immer zwei Widerstände hintereinander schalten.

7 Universität Ulm, Physikalisch-Chemisches Praktikum für Fortgeschrittene, Versuch 12: Brennstoffzelle 7 Auswertung: 1. Berechnen Sie zu jedem Messpunkt die Leistung. 2. Erstellen Sie je ein Diagramm für die und die Leistung als Funktion der stärke. 3. Erklären Sie qualitativ den Verlauf der erhaltenen Kurven. 4. Berechnen Sie für die Brennstoffzelle den maximal erreichbaren Leistungswirkungsgrad (also elektrische Leistung bezogen auf den Brennwert des verbrauchten Wasserstoffs), sowie den entsprechenden Wert für den Punkt maximaler Leistung Gesamtbilanz: 1. Welchen Leistungswirkungsgrad hat das Gesamtsystem von der Elektrolysezelle bis zur Brennstoffzelle im günstigsten Fall? Wie ist er am Punkt maximaler Leistung der Brennstoffzelle? 2. Diskutieren Sie, an welchen Stellen der im Versuch untersuchten Energiekette die größten Verluste entstehen, und welche realisierbaren oder auch nur wünschenswerten Maßnahmen zu Verbesserungen führen könnten.

8 Universität Ulm, Physikalisch-Chemisches Praktikum für Fortgeschrittene, Versuch 12: Brennstoffzelle 8 Messprotokoll V12: Gruppe: Datum: Demonstrationsbetrieb Veranschaulichung der Energiekette Photovoltaik Elektrolyse Speicherung gewinnung a) U Solarzelle = b) U Brennstofzelle im Leerlauf = c) U Brennstofzelle unter Propellerlast = Experimentierbetrieb skennlinie des Elektrolyseurs (bitte gleichzeitig in das Diagramm auf der folgenden Seite eintragen) U [V] U [V]

9 Universität Ulm, Physikalisch-Chemisches Praktikum für Fortgeschrittene, Versuch 12: Brennstoffzelle b) Diagramm des Elektrolysestroms als Funktion der zur Kontrolle bei der Versuchsdurchführung I / ma U / V

10 Universität Ulm, Physikalisch-Chemisches Praktikum für Fortgeschrittene, Versuch 12: Brennstoffzelle Erstes Faraday sches Gesetz und Wirkungsgrad η Raumdruck = hpa (= mbar) Raumtemperatur = C = K Messreihe 1: = (~ 1.0 A) Volumen V(O 2 ) [ml] Volumen V(H 2 ) [ml] Zeit t [sec] U [mv] Messreihe 2: = (~ 0.7 A) Volumen V(O 2 ) [ml] Volumen V(H 2 ) [ml] Zeit t [sec] U [mv]

11 Universität Ulm, Physikalisch-Chemisches Praktikum für Fortgeschrittene, Versuch 12: Brennstoffzelle Betrieb der Brennstoffzolle Verbrauch der gespeicherten Gase Verwendete Last: Volumen Volumen Zeit V(O 2 ) [ml] V(H 2 ) [ml] t [sec] U [mv]

12 Universität Ulm, Physikalisch-Chemisches Praktikum für Fortgeschrittene, Versuch 12: Brennstoffzelle skennlinie der Brennstoffzelle U [mv] U [mv] Durchführungsdatum / Unterschrift Betreuer: Termin der Protokollabgabe:

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