Erzeugung elektrischer Energie mit einer PEM Brennstoffzelle

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1 Lehrer-/Dozentenblatt Erzeugung elektrischer Energie mit einer PEM Brennstoffzelle Aufgabe und Material Lehrerinformationen Zusätzliche Informationen Alle Brennstoffzellen bestehen prinzipiell aus zwei Elektroden (Kathode und Anode) und einem Elektrolyten, der die beiden Elektroden voneinander trennt. Die Funktrionsweise entspricht der Umkehrung der Elektrolyse. Brennstoffzellen werden nach der Art des Elektrolyten klassifiziert. Daraus ergeben sich z.b. Arbeitstemperatur, Wirkungsgrad und Anwendungsgebiet der Brennstoffzelle. Die PEM-Brennstoffzelle (kurz auch PEMFC Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), benötigt keine Lauge oder Säure und hat als "Abfallprodukt" nur Wasser. Der Elektrolyt besteht aus einer dünnen protonenleitfähigen Membran. Diese Membran ist auf beiden Seiten mit Katalysatormaterial beschichtet und diese bilden Kathode und Anode der Brennstoffzelle. Die PEM-Brennstoffzelle erzeugt elektrische Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff (oder Luft) mit hohem Wirkungsgrad. Sie wird z.b. für Elektroantriebe in Autos und zur Hausenergieversorgung eingesetzt. Sie kann auch als Batterie- oder Akkumulator- Ersatz dienen, da Wasserstoff auf verschiedene Weise gespeichert werden kann (Druckspeicher, Flüssig-Wasserstoff-Speicher, Metallhydridspeicher). Hinweise zu Aufbau und Durchführung Elektrolyseur und Brennstoffzelle sind anhand der Farbmarkierung zu unterscheiden. Der Elektrolyseur ist blau, die Brennstoffzelle rot. Die zulässige Spannung für den Elektrolyseur beträgt bis zu 2 V und die zulässige Stromstärke bis zu 2 A. Es ist darauf zu achten, dass die beiden Öffnungen auf jeder Seite des Elektrolyseurs und der Brennstoffzelle nach dem Versuch wieder mit je einem Schlauch verbunden werden, damit die Membran nicht austrocknet. Siehe dazu Abb. 1 im Aufbau. Achtung: An die Brennstoffzelle darf keine Spannung angelegt werden, da diese sonst zerstört wird. Für Versuche mit Elektrolyseur und Brennstoffzelle darf ausschließlich destilliertes Wasser genutzt werden, da die Geräte sonst zerstört werden.

2 Erzeugung elektrischer Energie mit einer PEM Brennstoffzelle Aufgabe und Material Aufgabe Wie lässt sich mit Hilfe von Wasserstoff ein kleiner Motor betreiben? Eine PEM-Brennstoffzelle erzeugt elektrische Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff. Im Versuch werden diese Gase mit einem PEM-Elektrolyseur hergestellt.

3 Material Position Material Bestellnr. Menge 1 Becherglas DURAN, niedrige Form, 400 ml Motor 5V, SB Leitungs-Baustein, Anschlussbaustein, SB Leitungs-Baustein, winklig, SB Leitungs-Baustein, gerade, SB Digitale Stoppuhr, 24 h, 1/100 s & 1 s Verbindungsleitung, 32 A, 250 mm, blau Verbindungsleitung, 32 A, 500 mm, blau Verbindungsleitung, 32 A, 500 mm, rot Verbindungsleitung, 32 A, 250 mm, rot Gasspeicher, SB,inkl. Klemmen und Schläuche PEM Elektrolyseur, SB PEM Brennstoffzelle mit Luftoption, SB PHYWE Netzgerät DC: V, 2 A / AC: 6 V, 12 V, 5 A Digitalmultimeter, 3 1/2-stelliges Display, mit NiCr-Ni Thermoelement Zusätzliches Material Destilliertes Wasser

4 Aufbau und Durchführung Aufbau H: 220 / 270 P: 210 / 220 Sauerstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses brandförderndes Gas. Feuergefahr bei der Berührung mit brennbaren Stoffen. Wasserstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses brennbares Gas, das mit Luft leicht explosionsgefährliche Gemische bildet. Bei Versuchen, in denen mit Wasserstoff gearbeitet wird, müssen alle Zündquellen vorher entfernt werden. Schutzbrille tragen. Aufbau Stecke die beiden Leitungsbausteine mit Anschlussbuchse, sowie die zwei Gasspeicher und den blau gekennzeichneten PEM- Elektrolyseur wie in Abb. 1 zusammen. Abb. 1 Verbinde beide Gasspeicher mit dem PEM-Elektrolyseurs durch je zwei Schläuche. Bringe an das noch freie Ende am Gasspeicher ebenfalls einen Schlauch an und klemme diesen mit je einer Schlauchklemme ab (Abb. 2).

5 Abb. 2 Baue den Stromkreis für die Brennstoffzelle, den Motor und die Leitungsbausteine wie in Abb. 3 zusammen. Achte auf die Pole. Verbinde die Plusseite des Motors mit der Plusseite der Brennstoffzelle. Abb. 3 Verbinde nun beide Bauelemente wie in Abb. 4. Kontrolliere die Pole der einzelnen Bausteine. Links der Brennstoffzelle, des Elektrolyseurs und des Motors müssen die gleichen Pole sein, genauso wie Rechts. Drehe den Motor und die Brennstoffzelle gegebenenfalls um.

6 Abb. 4 Lass dir etwa 150 ml destilliertes Wasser in dein 400-ml-Becherglas füllen. Fülle damit beide Gasspeicher von oben bis zur unteren Markierung (Abb. 5). Achtung: Ausschließlich destilliertes Wasser verwenden. Abb. 5 Öffne die Schlauchklemmen, damit das Wasser nach unten in den Speicher fließt. Dabei soll das freie Schlauchende leicht in die Höhe gehalten werden um Verschütten von Wasser zu vermeiden (Abb. 6).

7 Abb. 6 Entferne die Schlauchklemmen und schließe die freien Schlauchenden an die Brennstoffzelle an (Abb. 7). Die zwei zusätzlichen Schläuche sollen verhindern, dass eventuell austretendes Wasser zu den Kontakten gelangt. Abb. 7 Schließe die Leitungsbausteine mit Anschlussbuchse entsprechend der Polung am Elektrolyseur (Abb. 8) an die Gleichspannungsbuchsen des Netzgerätes.

8 Abb. 8 Parallel zur Spannungsquelle wird ein Voltmeter geschaltet.das Netzteil ist ausgeschaltet (Abb. 9). Abb. 9 Durchführung Drehe den Stellknopf am Netzgerät für die Spannung ganz nach links, den für die Stromstärke ganz nach rechts auf 2 A und schalte das Netzgerät an. Stelle den Messbereich des Voltmeter auf 20 V-, stelle am Netzgerät eine Spannung von 2 V ein und starte die Stopuhr (Abb. 10). Achtung: Bei höheren Spannungen besteht die Gefahr, dass der PEM-Elektrolyseur zerstört wird. Abb. 10

9 Notiere dir unter (1), wie lange der Motor braucht um zu starten. Nach einer Minute drehe den Stellknopf des Netzteils für Spannung wieder ganz nach links und schalte das Netzgerät aus. Notiere dir unter (2), wie lange der Motor weiter läuft. Nachdem der Motor still steht entferne diesen und schließe ihn nach etwa 10 Sekunden wieder an. Notiere dir unter (3), was du beobachten kannst. Notiere dir unter (4), was nach dem Versuch in der Brennstoffzelle zu sehen ist. Entleerung des Gasspeichers: Entferne die Kabel und die Leitungsbausteine bei ausgeschaltetem Netzgerät, sowie die Brennstoffzelle mit Motor. Vergewissere Dich, dass die Schlauchklemmen geschlossen sind und fasse mit je einer Hand je einen Gasspeicher. Der Elektrolyseur wird nicht entfernt. Hebe einen der beiden Gasspeicher über das Becherglas und kippe den Inhalt über eine Ecke aus (Abb. 11). Abb. 11 Verfahre mit dem zweiten Gasspeicher genauso.

10 Protokoll: Erzeugung elektrischer Energie mit einer PEM Brennstoffzelle Ergebnis - Beobachtungen 1 (10 Punkte) Wie lange braucht der Motor, bis er startet? Ergebnis - Beobachtungen 2 (10 Punkte) Wie lange läuft der Motor weiter, nachdem das Netzgerät ausgeschaltete wurde?

11 Ergebnis - Beobachtungen 3 (10 Punkte) Was geschieht, wenn du den Motor aus- und wieder einbaust? Ergebnis - Beobachtungen 4 (10 Punkte) Was ist in der Brennstoffzelle zu sehen?

12 Auswertung - Frage 1 (10 Punkte) Warum startet der Motor nicht sofort? Auswertung - Frage 2 (10 Punkte) Was entsteht in der Brennstoffzelle?

13 Auswertung - Frage 3 (10 Punkte) Warum läuft der Motor weiter, obwohl das Netzgerät aus ist und warum wird er irgendwann langsamer? Auswertung - Frage 4 (10 Punkte) Warum läuft der Motor wieder kurzzeitig, wenn man ihn ausbaut und wieder einbaut?

14 Auswertung - Frage 5 (10 Punkte) Vergleiche diesen Versuchsaufbau mit einer Akku. Was ist ähnlich und was nicht? Auswertung - Zusatzaufgabe (10 Punkte) Wie funktioniert eine PEM-Brennstoffzelle?