Schülerexperimente. h-tec. Brennstoffzelle

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1 Schülerexperimente h-tec Brennstoffzelle

2 Inhaltsverzeichnis 1. Schülerexperimente Versuche mit Solarmodulen Strom-Spannungs-Kennlinie, Leistungskurve und Wirkungsgrad eines Solarmoduls Versuche mit dem PEM-Elektrolyseur Die Strom-Spannungs-Kennlinie des PEM-Elektrolyseurs Energetischer Wirkungsgrad und faradayscher Wirkungsgrad des PEM-Elektrolyseurs Versuche mit der PEM-Brennstoffzelle Die Strom-Spannungs-Kennlinie und die Leistungskurve der PEM-Brennstoffzelle Energetischer Wirkungsgrad und faradayscher Wirkungsgrad der PEM-Brennstoffzelle Versuche mit der Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) Die Strom-Spannungs-Kennlinie der Direktmethanol- Brennstoffzelle...3 1

3 1. Schülerexperimente 1.1. Versuche mit Solarmodulen Einzelne Solarzellen werden für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche miteinander zu Modulen verschaltet, um höhere Spannungen, bzw. Leistungen zu erzielen. In einer Reihenschaltung addieren sich die Spannungen, in einer Parallelschaltung addieren sich die Ströme Strom-Spannungs-Kennlinie, Leistungskurve und Wirkungsgrad eines Solarmoduls Lesen Sie vor Beginn des Versuchs die Sicherheitshinweise in der Bedienungsanleitung! Hintergrund: Die Strom-Spannungs-Kennlinie gibt Aufschluss über das Leistungsverhalten des Solarmoduls. Aus der Strom-Spannungs-Kennlinie sowie aus der Leistungskurve erhält man den Punkt maximaler Leistung, den sogenannten Maximum Power Point (MPP). Der Wirkungsgrad des Solarmoduls gibt an, wie viel der eingestrahlten Energie von dem Solarmodul in elektrische Energie umgewandelt wird. elektrisch abgegebene Leistung Wirkungsgrad η eingestrahlte Leistung P P aus ein

4 Dieser Versuch benötigt: - Solarmodul - ggf. Leuchte für den Betrieb des Solarmoduls - Multimeter - Widerstandsdekade, Set mit verschiedenen Widerständen oder Potentiometer - Gerät für die Ermittlung der Strahlungsleistung des Lichts: a) Messgerät für die direkte Messung der Strahlungsleistung des Lichts, z.b. Solarimeter b) alternativ: Die Strahlungsleistung des Lichts wird über den Kurzschlussstrom des Solarmoduls bestimmt. Versuchsaufbau: Bauen Sie die Schaltung nach folgendem Schaltbild auf. Messbereich 0 V Messbereich 10 A bzw. 0 A Figur a: Aufbau zur Ermittlung der Kennlinien eines Solarmoduls 3

5 Figur b: Beispielhafter Versuchsaufbau zur Ermittlung der Kennlinien eines Solarmoduls Versuchsdurchführung: Der Versuch ist wie oben (Figur a) gezeigt aufzubauen, die Leuchte wird direkt auf das Solarmodul ausgerichtet (Winkel 90 ). Nach dem Aufbau soll 1 Minute Wartezeit folgen, um Fehler durch Temperaturschwankungen zu vermeiden. Beginnen Sie die Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie mit der Leerlaufspannung (R ), und schalten Sie die Widerstandsdekade zu kleineren Widerständen durch. Es sollen zum jeweiligen Widerstand Spannung und Stromstärke gemessen und in einer Tabelle notiert werden. Zwischen den einzelnen Messungen sollten jeweils ca. 0 Sekunden verstreichen. 4

6 Beispiel: R / Ω U / V I / A P / W berechnet: PU I 1,95 0,00 0, ,94 0,01 0, ,93 0,0 0, ,91 0,05 0, ,83 0,17 0,311 3,3 0,71 0,18 0,18 1 0, 0,18 0,040 0,33 0,17 0,18 0,031 0,1 0,04 0,18 0, ,0 0,18 0,004 Figur c: Messwerttabelle Messung von Spannung und Strom zum jeweiligen Widerstand, (durchgeführt mit dem h-tec Solar Module Junior, bestehend aus polykristallinem Silizium, Leistung der Leuchte: 75 Watt, Abstand Leuchte Solarmodul: 50 cm ) Versuchsauswertung: Stellen Sie anhand der Messwerttabelle die Abhängigkeit des Photostromes von der Photospannung graphisch dar. Figur d: Strom-Spannungs-Kennlinie des Solarmoduls 5

7 Der Punkt der maximal abgegebenen elektrischen Leistung wird als Maximum Power Point (MPP) bezeichnet. Das Rechteck (Produkt aus Spannung und zugehöriger Stromstärke) mit dem größten Flächeninhalt besagt, dass hier die größte Leistung erzeugt wird. In diesem Beispiel ist dies bei 1,83 V 0,17 A 0,311 W. Stellen Sie die Leistung in Abhängigkeit der Spannung graphisch dar. Figur e: Leistungskurve des Solarmoduls Der Wirkungsgrad des Solarmoduls Für die Bestimmung des Wirkungsgrades η benötigt man den Wert der eingestrahlten Leistung P Ein, wie auch den Wert der von der Solarzelle abgegebenen elektrischen Leistung P Aus. Der Wirkungsgrad der Solarzelle ist am höchsten, wenn sie ihre maximale Leistung abgibt. Das macht sie im Maximum Power Point, der maximale Wert für P Aus ist bereits bekannt (in diesem Beispiel 0,311 W). a) Mit dem Strahlungsleistungs-Messgerät wird die Leistung des eingestrahlten Lichts/Fläche (Bestrahlungsstärke E E ) gemessen. Für die Ermittlung der Leistung P Ein die auf die Solarzelle trifft, muss dieser Wert mit der effektiven Fläche des Solarmoduls multipliziert werden. 6

8 P Ein E E A P Ein Leistung des Lichts, die auf die Solarzellenfläche trifft (W) W E E Bestrahlungsstärke ( ) m A effektive Fläche der Solarzelle bzw. des Solarmoduls (m ) PAus Der Wirkungsgrad lässt sich nun mit η berechnen. P Ein b) Steht für die Messung der Strahlungsleistung kein Messgerät zur Verfügung, kann das Multimeter zur Abschätzung der eingestrahlten Lichtleistung verwendet werden. Dafür nutzt man die Tatsache, dass der Kurzschlussstrom (maximaler Photostrom) proportional zu den auf die Solarzelle treffenden Photonen (Strahlung) ist. Der Kurzschlussstrom ist also proportional zur eingestrahlten Lichtleistung. Die Leerlaufspannung ist charakteristisch für das Halbleitermaterial, aus dem die Solarzelle besteht. Sie ist nicht proportional zum eingestrahlten Licht und kann deshalb für diese Messung nicht genutzt werden. Damit das Multimeter als Messgerät für die Lichtleistung verwendet werden kann, muss der am Multimeter angezeigte Kurzschlussstrom mit einem bestimmten Faktor F multipliziert werden, um eine quantitative Aussage über die Lichtleistung zu erhalten. Dieser Faktor hängt von dem Maximalwert des Kurzschlussstromes der Solarzelle ab. Die maximale Leistung des eingestrahlten Lichts/Fläche bei Sonnenschein im Sommer beträgt ca W/m. Der vom Hersteller angegebene Maximalwert für den Kurzschlussstrom wird bei dieser Einstrahlungsleistung erreicht. Die Kenndaten der Solarmodule beziehen sich auf die Standardtestbedingungen von 1000 W/m² Sonneneinstrahlung bei 5 C Zelltemperatur. In diesem Beispiel beträgt der maximale Kurzschlussstrom 350 ma. Der Faktor F wird nach folgender Formel berechnet. Beispiel: W 1000 m 350 ma,86 F m W ma 7

9 Wird der am Multimeter erscheinende Kurzschlussstrom nun mit dem W Faktor F,86 multipliziert, hat man den annähernden Wert der m² ma flächenbezogenen Strahlungsleistung, die auf das Solarmodul trifft. Für die Berechnung der auf dem Solarmodul eingestrahlten Lichtleistung muss die effektive Fläche des Solarmoduls bemessen und mit der flächenbezogenen Strahlungsleistung multipliziert werden. Beispiel: 3 Solarzellenfläche: A 6 10 m² ( 4 Zellen je 30 mm x 50 mm) Kurzschlussstrom: I K 180 ma P Ein F I K A W 3, ma 6 10 m² 3,089 W m² ma Wie bereits ermittelt beträgt die maximal abgegebene elektrische Leistung P Aus 0,311 W (bei einer eingestrahlten Leistung von 3,089 W). PAus Der Wirkungsgrad lässt sich nun mit η ermitteln. P Ein η 0,311 0,101 10,1 3,089 % 8

10 Diskussion: Sehr einfach kann die maximale Leistung aus der Leistungskurve abgelesen werden. Dieser Punkt wird MPP (Maximum Power Point) genannt. In der Strom-Spannungs-Kennlinie beschreibt der MPP die größtmögliche Rechteckfläche, die zwischen den Koordinatenachsen (U und I) und der einschließenden Kennlinie aufgespannt werden kann. Der Widerstand R MPP, bei dem die abgegebene Leistung maximal ist, U MPP lässt sich aus folgender Gleichung ermitteln: R MPP I Die Wirkungsgrade polykristalliner Solarzellen liegen zwischen 1 14 %. Der ermittelte Wirkungsgrad liegt mit 10,1 % etwas darunter. Die Ursachen dafür sind in Messfehlern und Ungenauigkeiten bei der Ermittlung der eingestrahlten Lichtleistung zu finden. Weiterhin ist der Wirkungsgrad von Solarmodulen geringer als der Wirkungsgrad der einzelnen Solarzelle. Dies geschieht durch Anpassungsverluste, die dadurch entstehen, das nicht alle Solarzellen exakt die gleichen Eigenschaften haben. Werden die Solarzellen in Reihe zu einem Modul verschaltet, besitzen nicht alle den selben Maximum Power Point. MPP Der Wirkungsgrad der Solarzelle wird durch folgende Verlustprozesse begrenzt: Es können nicht alle Photonen, welche auf die Solarzelle treffen, in Ladungsträger umgewandelt werden. Ein Teil des Lichts wird bereits an der Solarzellenoberfläche reflektiert. Außerdem kommt es durch die metallischen Kontakte zu Abschattungen. Durch die mangelnde Übereinstimmung von Photonenenergie und Energielücke bleibt mehr als die Hälfte der eingestrahlten Energie ungenutzt. Weiterhin kommt es zur Rekombination von Ladungsträgern (Elektronen werden wieder atomar gebunden) und elektrischen Verlusten an internen Widerständen (ohmsche Verluste im Halbleitermaterial) der Solarzelle und ihrer Kontakte. 9

11 1.. Versuche mit dem PEM-Elektrolyseur Die Strom-Spannungs-Kennlinie des PEM-Elektrolyseurs Lesen Sie vor Beginn des Versuchs die Sicherheitshinweise in der Bedienungsanleitung! Hintergrund: Der PEM-Elektrolyseur zersetzt Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, dafür muss die an den Elektrolyseur angelegte Spannung einen bestimmten Wert überschreiten, die Zersetzungsspannung des Wassers. Unterhalb dieser Spannung findet keine Zersetzung statt. Im folgenden Versuch soll untersucht werden, wie groß diese Spannung ist. Dieser Versuch benötigt: - PEM-Elektrolyseur - Multimeter - Spannungsquelle a) regelbare Spannungsquelle, z.b. Labornetzgerät b) alternativ: nicht regelbare Spannungsquelle, z.b. Solarmodul, in diesem Fall benötigt man zusätzlich: - ggf. Leuchte für den Betrieb des Solarmoduls - Widerstandsdekade, Set mit verschiedenen Widerständen oder Potentiometer Versuchsaufbau: a) Sie schließen den Elektrolyseur direkt an die regelbare Spannungsquelle an. Diese sollte zu Beginn auf 0 V eingestellt und dann bis maximal,0 V hoch geregelt werden. 10

12 Messbereich 10 A bzw. 0 A Messbereich 0 V Figur 1..1.a: Aufbau zur Ermittlung der Strom-Spannungs- Kennlinie des Elektrolyseurs, mit einer regelbaren Spannungsquelle b) Bauen Sie die Schaltung nach folgendem Schaltbild auf. Messbereich 10 A bzw. 0 A Messbereich 0 V Figur 1..1.b: Aufbau zur Ermittlung der Strom-Spannungs-Kennlinie des Elektrolyseurs mit einer nicht regelbaren Spannungsquelle Versuchsdurchführung: Nehmen Sie die Geräte nach den Anweisungen der jeweiligen Bedienungsanleitung in Betrieb. a) Stellen Sie die Spannungen an der Spannungsquelle in 0,1 Volt Schritten kontinuierlich von 0 V bis V höher und notieren Sie die jeweilige Spannung und die korrespondierende Stromstärke in einer Tabelle. Warten Sie zwischen den Messungen jeweils 0 Sekunden, um repräsentative Werte zu erhalten. Achten Sie auf die einsetzende Gasproduktion und markieren Sie die dazugehörige Spannung in der Tabelle. 11

13 b) Schalten Sie die Messdekade von kleinen zu großen Widerständen durch, und notieren Sie die jeweilige Spannung und die korrespondierende Stromstärke in einer Tabelle. Warten Sie zwischen den Messungen jeweils 0 Sekunden, um repräsentative Werte zu erhalten. Achten Sie auf die einsetzende Gasproduktion und markieren Sie die dazugehörige Spannung in der Tabelle. Beispiel (durchgeführt mit dem h-tec Premium Electrolyzer ): R / Ω U / V I / A 0 0,04 0,00 0,1 0,14 0,00 0,33 0,37 0,01 1,0 1,09 0,01 3,3 1,59 0, ,64 0, ,66 1, ,66 1, ,66 1,01 1,66 1,01 Figur 1..1.c: Messwerttabelle Erst beim Überschreiten eines bestimmten Gleichspannungswertes produziert der PEM-Elektrolyseur kontinuierlich Wasserstoff- und Sauerstoffgas. Ab diesem Punkt beginnen die Stromwerte zu steigen. Diese Tabelle zeigt die jeweiligen Stromwerte für die unterschiedlich angelegten Spannungen. Versuchsauswertung: Stellen Sie die aufgenommenen Wertepaare in einem Diagramm graphisch dar. Die sich ergebene Kurve ist die Strom-Spannungs-Kennlinie des Elektrolyseurs, die angenähert aus zwei sich schneidenden Geraden besteht (siehe Beispiel). Zeichnen Sie diese ein und markieren Sie den Schnittpunkt der stark ansteigenden Gerade mit der U-Achse. 1

14 Beispiel (durchgeführt mit dem h-tec Premium Electrolyzer): Figur 1..1.d: Strom-Spannungs-Kennlinie des Elektrolyseurs Diskussion: Im Diagramm 1..1.d ist die Abhängigkeit der Stromstärke von der angelegten Spannung aufgetragen. Aus dem Kurvenverlauf lässt sich gut erkennen, dass erst ab einer bestimmten Spannung der Strom zu fließen beginnt. Erst wenn ein deutlich messbarer Strom fließt, hat die Zersetzung des Wassers eingesetzt. In unserem Beispiel bei 1,59 V (siehe Tabelle, Figur 1..1.c). Die Zersetzungsspannung ist jedoch kleiner. Sie liegt dort, wo sich die Gerade größerer Steigung und die Abszisse (U- Achse) schneiden. Die theoretische Zersetzungsspannung von Wasser beträgt 1,3 V. Unterhalb dieser Spannung findet keine Zersetzung statt. In der Praxis liegt diese Spannung jedoch aufgrund von sogenannten Überspannungen höher. Die Differenz zwischen theoretischem und praktischem Spannungswert ist von mehreren Parametern abhängig, z.b. von der Art und Beschaffenheit des Elektrodenmaterials, dem Elektrolyten und der Temperatur. 13

15 1... Energetischer Wirkungsgrad und faradayscher Wirkungsgrad des PEM-Elektrolyseurs Lesen Sie vor Beginn des Versuchs die Sicherheitshinweise in der Bedienungsanleitung! Dieser Versuch benötigt: - PEM-Elektrolyseur - Wasserstoffspeicher für Versuchszwecke mit Skala - Multimeter - Stoppuhr - Spannungsquelle a) regelbare Spannungsquelle, z.b. Labornetzgerät b) alternativ: nicht regelbare Spannungsquelle, z.b. Solarmodul, in diesem Fall benötigt man zusätzlich: - ggf. Leuchte für den Betrieb des Solarmoduls - Widerstandsdekade, Set mit verschiedenen Widerständen oder Potentiometer Versuchsaufbau: a) Sie schließen den Elektrolyseur direkt an die regelbare Spannungsquelle an. Stellen Sie einen Spannungswert von z.b. 1,8 V (größer als 1,5 V und kleiner als V) ein. Messbereich 10 A bzw. 0 A Messbereich 0 V Figur 1...a: Aufbau zur Ermittlung des energetischen und faradayschen Wirkungsgrades des Elektrolyseurs mit einer regelbaren Spannungsquelle. 14

16 b) Bauen Sie die Schaltung nach folgendem Schaltbild auf. Messbereich 10 A bzw. 0 A Messbereich 0 V Figur 1...b: Aufbau zur Ermittlung des energetischen und faradayschen Wirkungsgrades des Elektrolyseurs mit einer nicht regelbaren Spannungsquelle Versuchsdurchführung: Nehmen Sie die Geräte nach den Anweisungen der jeweiligen Bedienungsanleitung in Betrieb. Das System sollte vor dem Versuch mehrere Minuten Gas produzieren. Unterbrechen Sie dann die Stromversorgung zum Elektrolyseur. Öffnen Sie die Ausgangsventile der Gasspeicher, um produzierte Gase vollständig abzulassen. Wenn die Gase entfernt wurden, sind die Speicher komplett mit destilliertem Wasser gefüllt. Der Wasserspiegel muss also mit der Linie 0 cm³ deckungsgleich sein, wenn man senkrecht auf die Speicherskala schaut. Schließen Sie nun die Ausgangsventile der Gasspeicher. Starten Sie die Zeitmessung in dem Moment, in dem Sie den Elektrolyseur mit der Spannungsquelle verbinden. Notieren Sie die am Elektrolyseur anliegende Spannung und die durch ihn fließende Stromstärke. Notieren Sie bei markanten Skalenstrichen jeweils die Zeit, die Spannung und die Stromstärke. Die letzten Messungen werden gemacht, wenn der Wasserstoffspeicher maximal mit Gas gefüllt ist. Dies entspricht in unserem Beispiel 0 cm³. 15

17 Beispiel (durchgeführt mit dem h-tec Wasserstoff-Experimentiersystem JuniorBasic): V H / cm³ t / s U / V I / A P / W berechnet: PU I 0 0 1,6 0,3 0, ,6 0,3 0, ,6 0,3 0, ,6 0,3 0, ,6 0,3 0,37 Figur 1...c: Messwerttabelle Überschreitet die angelegte Gleichspannung an einem PEM-Elektrolyseur eine bestimmte Größe, produziert er kontinuierlich Wasserstoff- und Sauerstoffgas. Für bestimmte produzierte Wasserstoffgasvolumen (in 5 cm³ Schritten) wurden in dieser Tabelle die Zeit-, Spannungs- und Stromwerte aufgenommen. Energetischer Wirkungsgrad des PEM-Elektrolyseurs Hintergrund Der energetische Wirkungsgrad η energetisch gibt an, wie viel der zugeführten Energie E zu als tatsächlich nutzbare Energie E nutz das System, in diesem Fall den Elektrolyseur, verlassen. η energetisc h E E nutz zu E E Wasserstoff elektrisch Je größer der Wirkungsgrad ist, desto besser ist die Energienutzung. 16

18 Versuchsauswertung Teil 1: Tragen Sie das produzierte Gasvolumen in Abhängigkeit von der Zeit in einem Diagramm auf VH / cm³ t / s Figur 1...d: Gasvolumen / Zeit-Diagramm eines Elektrolyseurs (bei P 0,37 W) Versuchsauswertung Teil : Berechnen Sie den energetischen Wirkungsgrad des Elektrolyseurs. Beispiel (durchgeführt mit dem h-tec Wasserstoff-Experimentiersystem JuniorBasic): η energetisch E E Wasserstoff elektrisch VH U H 0 I t η energetisch J 10 m 1, m 1,6 V 0,3 A 768 s 3 0,89 89 % 17

19 H 0 Brennwert des Wasserstoffs 1) 6 3 genannt) V H erzeugte Menge Wasserstoff in m³ U Spannung in V I Strom in A T Zeit in s J 1, (auch oberer Heizwert m 1) Als Brennwert H O wird die Energie bezeichnet, die bei der Verbrennung eines Stoffes (Oxidation) frei wird. Dabei wird auch die Energie einbezogen, die der vom Brennstoff verursachte Wasserdampf als Kondensationswärme enthält. Die Nutzung dieser Energie ist in konventionellen Feuerungen nicht möglich. Deshalb wird zusätzlich ein Wert formuliert, der die Kondensationswärme vernachlässigt. Diese Größe bezeichnet man als Heizwert H U. Während in der Chemie mit dem Brennwert H O gerechnet wird, verwendet man den Heizwert in physikalischen und technischen Berechnungen. Diskussion: In der Tabelle ist zu sehen, dass die elektrische Leistungsaufnahme des Elektrolyseurs über die Zeit konstant ist. Ebenso ist die Wasserstoffproduktion konstant, denn im Gasvolumen/Zeit Diagramm sieht man, dass das produzierte Gasvolumen linear von der Zeit abhängt. In diesem Beispiel beträgt der energetische Wirkungsgrad des Elektrolyseurs 89 %. Das heißt, dass 89 % der elektrischen Energie, mit der wir den Elektrolyseur betreiben, in Wasserstoffgas gespeichert sind. Verluste entstehen durch die elektrodenspezifischen Überspannungen (die Überspannung ist allgemein die Abweichung der theoretischen Zersetzungsspannung von der tatsächlichen, experimentell ermittelten, Zersetzungsspannung), den Innenwiderstand der Elektrolysezelle und den Diffusionsverlusten der Gase innerhalb der Zelle. 18

20 Faradayscher Wirkungsgrad des PEM-Elektrolyseurs Hintergrund: Das erste faradaysche Gesetz stellt einen Zusammenhang zwischen der fließenden Stromstärke und der erzeugten Gasmenge her. Es folgt aus der Tatsache, dass ein erzeugtes Wasserstoffatom ein Elektron besitzt, welches zuvor zum fließenden Strom beigetragen hat. Der Zusammenhang zwischen Strom und Elektronen ist I Q/t (I: Stromstärke, Q: Ladung, t: Zeit). Aus dem Verhältnis von erzeugter und auf die elektrische Leistung bezogener, errechneter Gasmenge erhält man den faradayschen Wirkungsgrad des Elektrolyseurs. Versuchsauswertung: Das 1. faradaysche Gesetz lautet: R V F I T t p z V theoretisch erzeugtes Gasvolumen in m³ J R universelle Gaskonstante 8,314 mol K N p Umgebungsdruck in Pa ( 1 Pa 1 ) m C F Faradaykonstante (1 C 1 As) mol T Umgebungstemperatur in K I Strom in A t Zeit in s z Anzahl der Elektronen, um ein Molekül abzuscheiden : z ( H ), d.h. es werden mol Elektronen benötigt, um 1 mol Wasserstoff freizusetzen. z ( O ) 4 19

21 V errechnet R I F T t p z J 8,314 0,3 A 93 K 768 mol K C , Pa mol s V errechnet, m³ cm³ Den faradayschen Wirkungsgrad erhält man aus folgender Formel: η Faraday V V H H ( erzeugt) ( errechnet) Das experimentell erzeugte Wasserstoffvolumen beträgt: V H (erzeugt) 0 cm³. Der faradaysche Wirkungsgrad beträgt demzufolge: η Faraday 0 cm cm 3 3 0,91 91 % Diskussion: Der Unterschied zwischen Theorie ( η 100 % ) und Praxis ( η Faraday 91% ) beträgt 9 %. Er setzt sich aus Messfehlern und Diffusionsverlusten der Gase innerhalb der Zelle zusammen. Die Diffusionsverluste entstehen dadurch, dass ein Teil der Gase durch die Membran des Elektrolyseurs diffundiert und am Katalysator zu Wasser reagiert. Es wird ein kleiner Teil des erzeugten Gases direkt wieder umgesetzt, ohne das es aus der Zelle austreten kann. 0

22 1.3. Versuche mit der PEM-Brennstoffzelle Die Strom-Spannungs-Kennlinie und die Leistungskurve der PEM-Brennstoffzelle Lesen Sie vor Beginn des Versuchs die Sicherheitshinweise in der Bedienungsanleitung! Hintergrund: In der Brennstoffzelle reagieren der von außen zugeführte Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser, dies geschieht unter Abgabe von elektrischem Strom und Wärme. Die Leistung der Brennstoffzelle ist vom Lastwiderstand abhängig. Im folgenden Versuch soll untersucht werden, bei welchem Widerstand und somit welcher Stromstärke die Leistungsausbeute optimal ist. Dieser Versuch benötigt: - PEM-Brennstoffzelle - Multimeter - Widerstandsdekade, Set mit verschiedenen Widerständen oder Potentiometer - Wasserstoffquelle a) Wasserstoffspeicher, z.b. Druckgasdose, Metallhydridspeicher b) alternativ: Elektrolyseur, in diesem Fall benötigt man zusätzlich: - Spannungsquelle, wie z.b. Solarmodul oder Labornetzgerät - ggf. Leuchte für den Betrieb des Solarmoduls 1

23 Versuchsaufbau: Bauen Sie die Schaltung nach folgendem Schaltbild auf. Messbereich 0 V Messbereich 10 A bzw. 0 A Figur a: Aufbau zur Ermittlung der Strom-Spannungs-Kennlinie der Brennstoffzelle (FC Fuel Cell Brennstoffzelle) Versuchsdurchführung: Nehmen Sie die Geräte nach den Anweisungen der jeweiligen Bedienungsanleitung in Betrieb. a) Schließen Sie die Ausgangsventile der Brennstoffzelle. Verbinden Sie die Ausgangsanschlüsse der Wasserstoffquelle mit den Eingangsanschlüssen der Brennstoffzelle (siehe Bedienungsanleitung). Öffnen Sie die Ausgangsventile der Brennstoffzelle und durchspülen Sie die Zelle kurz mit Wasserstoff und schließen die Ventile wieder. Dieses dient dazu, Restgase zu entfernen, die die Messung verfälschen. Damit die Brennstoffzelle vor der Messung kein Wasserstoff verbraucht, muss sie auf Leerlauf (offene Klemmen, kein Stromfluss) geschaltet sein. Beginnen Sie die tabellarische Aufnahme der Strom- Spannungs- Kennlinie mit der Leerlaufspannung (R ). Schalten Sie die Widerstandsdekade von größeren zu kleineren Widerständen durch und notieren Sie zu den Widerständen jeweils die dazugehörigen Spannungs- und Stromwerte. Warten Sie zwischen den einzelnen Messungen 0 Sekunden, um repräsentative Ergebnisse zu erhalten.

24 b) Schließen Sie den Elektrolyseur an die Stromquelle an, um Wasserstoff und Sauerstoff zu produzieren. Verbinden Sie die Ausgangsanschlüsse des Elektrolyseurs mit den Eingangsanschlüssen der Brennstoffzelle. Schließen Sie die Ausgangsventile der Brennstoffzelle. Nachdem Sie ca. 5 cm 3 Wasserstoffgas produziert haben, öffnen Sie die Ausgangsventile der Brennstoffzelle, durchspülen sie mit Gasen und schließen die Ventile wieder. Dieses dient dazu, Restgase zu entfernen, die die Messung verfälschen. Damit die Brennstoffzelle vor der Messung kein Wasserstoff verbraucht, muss sie auf Leerlauf (offene Klemmen, kein Stromfluss) geschaltet sein. Beginnen Sie die tabellarische Aufnahme der Strom- Spannungs- Kennlinie mit der Leerlaufspannung (R ). Schalten Sie die Widerstandsdekade von größeren zu kleineren Widerständen durch und notieren Sie zu den Widerständen jeweils die dazugehörigen Spannungs- und Stromwerte. Warten Sie zwischen den einzelnen Messungen 0 Sekunden, um repräsentative Ergebnisse zu erhalten. Beispiel (durchgeführt mit dem h-tec Wasserstoff-Experimentiersystem JuniorBasic): R / Ω U / V I / A P / W berechnet: PU I 0,99 0,00 0, ,97 0,01 0, ,94 0,01 0, ,90 0,03 0, ,84 0,08 0,067 3,3 0,76 0, 0, ,6 0,56 0,347 0,33 0,47 1,05 0,494 0,1 0,3 1,43 0, ,4 1,61 0,386 Figur b: Messwerttabelle Messung der Spannungs- und Stromwerte der Brennstoffzelle bei unterschiedlichen Lastwiderständen. 3

25 Versuchsauswertung: Stellen Sie die aufgenommenen Werte als Strom-Spannungs-Kennlinie in einem Diagramm graphisch dar. 1, 1 0,8 U / V 0,6 0,4 0, 0 0 0,5 1 1,5 I / A Figur c: Strom-Spannungs-Kennlinie der Brennstoffzelle Stellen Sie die Leistung in Abhängigkeit des Stroms graphisch dar. 0,6 0,5 0,4 P / W 0,3 0, 0, ,5 1 1,5 I / A Figur d: Leistungskurve der Brennstoffzelle Diskussion: Man kann gut aus der Leistungskurve ersehen, bei welchem Strom die Brennstoffzelle die größte Leistung abgibt. Die maximale Leistung wird ungefähr bei 1,05 A abgegeben, was einem Lastwiderstand von 0,33 Ω entspricht (siehe Tabelle b). Will man diese Brennstoffzelle mit größtmöglicher Leitung betreiben, muss demnach der Lastwiderstand 0,33 Ω entsprechen. 4

26 1.3.. Energetischer Wirkungsgrad und faradayscher Wirkungsgrad der PEM-Brennstoffzelle Lesen Sie vor Beginn des Versuchs die Sicherheitshinweise in der Bedienungsanleitung! Dieser Versuch benötigt: - PEM-Brennstoffzelle - Wasserstoffquelle, z.b. PEM-Elektrolyseur und Speicher mit Skala für Versuchszwecke - Spannungsquelle, bei Nutzung eines Elektrolyseur, wie z.b. Solarmodul oder Labornetzgerät - ggf. Leuchte für den Betrieb des Solarmoduls - Multimeter - Widerstandsdekade, Set mit verschiedenen Widerständen oder Potentiometer - Stoppuhr Versuchsaufbau: Bauen Sie die Schaltung nach folgendem Schaltbild auf. Messbereich 0 V Messbereich 10 A bzw. 0 A Figur 1.3..a: Aufbau zur Ermittlung des energetischen Wirkungsgrades und faradayschen Wirkungsgrades der Brennstoffzelle (FC Fuel Cell Brennstoffzelle) 5

27 Versuchsdurchführung: Nehmen Sie die Geräte nach den Anweisungen der jeweiligen Bedienungsanleitung in Betrieb. Verbinden Sie die Ausgangsanschlüsse des Wasserstoffspeichers vom Elektrolyseur mit den Eingangsanschlüssen der Brennstoffzelle. Schließen Sie die Ausgangsventile der Brennstoffzelle. Produzieren Sie ca. 0 cm³ Wasserstoffgas und öffnen Sie dann kurz die Klemmen am Ausgang der Brennstoffzelle. Das System wird dadurch entlüftet. Produzieren Sie das vom Gerät abhängige maximal mögliche Wasserstoffvolumen (in dem Beispiel 0 cm³). Unterbrechen Sie die Stromversorgung zum Elektrolyseur. Unterbrechen Sie die elektrische Verbindung der Brennstoffzelle mit der Widerstandsdekade. Schalten Sie die Widerstandsdekade auf den Widerstand, bei dem Sie den energetischen Wirkungsgrad bestimmen wollen (z.b. 3,3 Ω). Schließen Sie den Stromkreis zwischen Brennstoffzelle und Widerstandsdekade wieder, und starten Sie im gleichen Moment die Zeitmessung. Notieren Sie die Messwerte für Zeit, Spannung und Strom nach konstanten Volumenschritten (z.b. 5 cm³), bei einem unveränderten Widerstand. Achten sie darauf, dass die Stromwerte nicht zu stark schwanken. Wenn der Strom im Laufe der Messung beträchtlich abnimmt, liegt es wahrscheinlich daran, dass noch Restgase in den Speichern vorhanden sind, die die Funktion der Brennstoffzelle beeinträchtigen. Dieses Problem tritt auf, wenn nur noch wenig Wasserstoff im Speicher vorhanden ist (z.b. nur noch 5 cm³). Beispiel (durchgeführt mit dem h-tec Wasserstoff-Experimentiersystem JuniorBasic): V H / cm³ t / s U / V I / A P / W berechnet: PU I 0 0 0,73 0,1 0, ,7 0,1 0, ,7 0,1 0,151 Mittelwert U 0,7 I 0,1 P 0,15 Figur 1.3..b: Messwerttabelle Wird einer Brennstoffzelle Wasserstoffgas zugeführt, wandelt sie diesen Brennstoff kontinuierlich in elektrische Energie um. In dieser Tabelle wurden für bestimmte verbrauchte Wasserstoffgasvolumen (in 5 cm³ - Schritten) die Zeit-, Spannungs- und Stromwerte aufgenommen. 6

28 Energetischer Wirkungsgrad der PEM-Brennstoffzelle Hintergrund Der energetische Wirkungsgrad η energetisch gibt an, wie viel der zugeführten Energie E zu als tatsächlich nutzbare Energie E nutz das System, in diesem Fall die Brennstoffzelle, verlassen. η energetisc h E E nutz zu E E elektrisch Wasserstof f Je größer der Wirkungsgrad ist, desto besser ist die Energienutzung. Versuchsauswertung Teil 1 Tragen Sie das verbrauchte Gasvolumen in Abhängigkeit von der Zeit in einem Diagramm auf VH / cm³ t / s Figur 1.3..c: Wasserstoffverbrauch/Zeit-Diagramm einer Brennstoffzelle (bei P 0,15 W) Versuchsauswertung Teil Berechnen Sie den energetischen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle. Beispiel (durchgeführt mit dem h-tec Wasserstoff-Experimentiersystem JuniorBasic): η energetisch E E elektrisch Wasserstoff U V H I t H u 7

29 η energetisch 0,7 V 0,1 A 356 s 6 6 J m³ 10,8 10 m 3 0, % H U Heizwert des Wasserstoffs 1) 6 10, V H verbrauchte Menge Wasserstoff in m³ U Spannung in V I t Strom in A Zeit in s J (auch unterer Heizwert genannt) m 1) Als Brennwert H O wird die Energie bezeichnet, die bei der Verbrennung eines Stoffes (Oxidation) frei wird. Dabei wird auch die Energie einbezogen, die der vom Brennstoff verursachte Wasserdampf als Kondensationswärme enthält. Die Nutzung dieser Energie ist in konventionellen Feuerungen nicht möglich. Deshalb wird zusätzlich ein Wert formuliert, der die Kondensationswärme vernachlässigt. Diese Größe bezeichnet man als Heizwert H U. Während in der Chemie mit dem Brennwert H O gerechnet wird, verwendet man den Heizwert in physikalischen und technischen Berechnungen. Diskussion: Im Wasserstoffverbrauch/Zeit-Diagramm (Figur 1.3..c) sieht man, dass das verbrauchte Gasvolumen direkt proportional zur Zeit ist. Der energetische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle in unserem Beispiel beträgt 50 %. Das heißt, dass 50 % der im Wasserstoff gespeicherten Energie, mit der wir die Brennstoffzelle betreiben, als elektrische Energie abgegeben wird. Zusätzlich gibt die Brennstoffzelle auch Wärme ab. Wird diese Wärme nicht genutzt, ist sie als Verlustenergie anzusehen. Dadurch ist der energetische Wirkungsgrad von vornherein begrenzt. Dafür wird ein idealer Wirkungsgrad η id definiert, der sich als Quotient der freien Reaktionsenthalpie G (die bei der Reaktion freiwerdende Arbeit, z.b. in Form von elektrischer Energie) zur Reaktionsenthalpie H (die bei der Reaktion freiwerdende Energie) zusammensetzt. η id G H 8

30 Die Differenz zwischen freier Reaktionsenthalpie G und der Reaktionsenthalpie H ist die freiwerdende Wärme Q. Die Wärme kann als Produkt aus der Temperatur T und der Reaktionsentropie S beschrieben werden. Q T S Dann lässt sich die Reaktionsenthalpie mit folgender Gleichung bestimmen: H G + T S Der ideale Wirkungsgrad η id wird dann nach folgender Formel berechnet: η id G H H T S H T S 1 H 1 98 K ( 16,985 K J mol J ) mol η id 0,83 83 % T 98 K S -16,985 H J mol J K mol Der energetische Wirkungsgrad von 83 % wird aufgrund von Spannungsverlusten, die sich auch als Wärme auswirken, weiter begrenzt. Die ideale Zellspannung von 1,3 Volt wird durch die elektrodenspezifischen Überspannungen, den Innenwiderstand der Brennstoffzelle und Diffusionsverluste innerhalb der Brennstoffzelle nie erreicht. Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ist ähnlich dem des Elektrolyseurs stark leistungsabhängig. Besitzt der Verbraucher einen großen elektrischen Widerstand, ist zwar der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 9

31 hoch, sie läuft jedoch nur im Teillastbereich. Man entnimmt ihr also weniger Leistung, als sie produzieren kann. Um herauszufinden, bei welchem Lastwiderstand der energetische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle am größten ist, kann dieser Versuch mit verschiedenen Widerständen wiederholt werden (empfohlen 10 Ω bis 0,1 Ω). Faradayscher Wirkungsgrad der PEM-Brennstoffzelle Hintergrund: Das erste faradaysche Gesetz stellt einen Zusammenhang zwischen der verbrauchten Gasmenge und der fließenden Stromstärke her. Es folgt aus der Tatsache, dass ein verbrauchtes Wasserstoffatom ein Elektron besitzt, welches später zum fließenden Strom beiträgt. Der Zusammenhang zwischen Strom und Elektronen ist I Q/t (I: Stromstärke, Q: Ladung, t: Zeit). Aus dem Verhältnis von verbrauchter und auf die elektrische Leistung bezogener, errechneter Gasmenge erhält man den faradayschen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle. Versuchsauswertung: Das erste faradaysche Gesetz lautet: V R F I T t p z V theoretisches Gasvolumen in m³ J R universelle Gaskonstante 8,314 mol K N p Umgebungsdruck in Pa ( 1 Pa 1 ) m C F Faradaykonstante (1 C 1 As) mol T Umgebungstemperatur in K I Strom in A t Zeit in s z Anzahl der Elektronen, um ein Molekül abzuscheiden : z ( H ), d.h. es werden mol Elektronen benötigt, um 1 mol Wasserstoff freizusetzen. z ( O ) 4 30

32 Den faradayschen Wirkungsgrad erhält man aus folgender Formel: η Faraday V V H H ( errechnet) ( verbraucht) Beispiel (durchgeführt mit dem h-tec Wasserstoff-Experimentiersystem JuniorBasic): V H ( verbraucht ) 10 cm³ V H ( errechnet) R I T t F p z J 8,314 0,1 A 93 K 356 s mol K C , Pa mol 6 V H ( errechnet) 9,3 10 m³ 9,3 cm³ η Faraday 9,3 cm³ 10 cm³ 0,93 93 % Diskussion Die tatsächlich verbrauchte Gasmenge ist etwas größer als die errechnete, weil in der Brennstoffzelle ähnliche Diffusionsverluste wie beim Elektrolyseur auftreten. Der faradaysche Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ist nach den vorliegenden Versuchsergebnissen jedoch etwas kleiner als beim Elektrolyseur. Die Ursache liegt darin, dass ein kleinerer Strom fließt. Es wird mehr Zeit zum Verbinden der gleichen Menge Wasser als zum Spalten desselben benötigt. In einer längeren Zeitspanne diffundiert mehr Wasserstoff durch die Membran, der dann nicht mehr für die Stromerzeugung zur Verfügung steht. 31

33 1.4. Versuche mit der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) Die Strom-Spannungs-Kennlinie der Direkt-Methanol- Brennstoffzelle Lesen Sie vor Beginn des Versuchs die Sicherheitshinweise in der Bedienungsanleitung! Hintergrund: Die abgegebene Leistung einer DMFC hängt von dem angeschlossenen Lastwiderstand ab. Um eine optimale Leistungsausbeute zu bekommen, muss der passende Widerstand ermittelt werden. Dieser Versuch benötigt: - Direkt-Methanol-Brennstoffzelle - Multimeter - Widerstandsdekade, Set mit verschiedenen Widerständen oder Potentiometer Achtung: Methanol ist giftig. Versuchsaufbau: Bauen Sie die Schaltung nach folgendem Schaltbild auf. Messbereich 0 V Messbereich 10 A bzw. 0 A Figur a: Aufbau zur Ermittlung der Strom-Spannungs-Kennlinie der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) 3

34 Versuchsdurchführung: Die DMFC, das Volt- und das Amperemeter sind wie im Schaltbild an die Widerstandsdekade anzuschließen. Vor Beginn der Messungen muss die DMFC erst einige Minuten mit der Methanollösung stehen, bevor sie repräsentative Werte liefert. Beginnen Sie die Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie mit der Leerlaufspannung (R ), und schalten Sie die Widerstandsdekade zu kleineren Widerständen durch. Es sollen zum jeweiligen Widerstand Spannung und Stromstärke gemessen und in einer Tabelle notiert werden. Zwischen den einzelnen Messungen sollten jeweils ca. 0 Sekunden verstreichen. Beispiel (durchgeführt mit der h-tec Direkt-Methanol-Brennstoffzelle Premium DMFC): R / Ω U / V I / A P / mw berechnet: PU I 0,60 0,00 0, ,60 0,00 0, ,59 0,01 5,9 33 0,57 0,0 11,4 10 0,50 0,05 5,0 3,3 0,41 0,1 49, 1 0,8 0,6 7,8 0,33 0,18 0,38 68,4 0,1 0,10 0,50 50,0 0 0,06 0,54 3,4 Figur b: Messwerttabelle Messung der Spannungs- und Stromwerte der Direkt-Methanol- Brennstoffzelle bei unterschiedlichen Lastwiderständen. 33

35 Versuchsauswertung: Stellen Sie anhand der Messwerttabelle die Abhängigkeit der Spannung von dem Strom dar. 0,7 0,6 0,5 0,4 U / V 0,3 0, 0, ,1 0, 0,3 0,4 0,5 0,6 I / A Figur c: Strom-Spannungs-Kennlinie der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle Stellen Sie die Leistung in Abhängigkeit des Stroms graphisch dar P / mw ,1 0, 0,3 0,4 0,5 0,6 I / A Figur d: Leistungskurve der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle 34

36 Diskussion: Man kann aus den Diagrammen ersehen, dass die abgegebene Leistung einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle vom Lastwiderstand (Zellspannung, Stromstärke) abhängig ist. Aus der Leistungskurve kann ermittelt werden, bei welchem Strom die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle die größte Leistung abgibt. Die maximale Leistung wird bei ca. 0,9 A abgegeben, was einem Lastwiderstand von annähernd 1 Ω entspricht. Soll diese Direkt-Methanol-Brennstoffzelle mit größtmöglicher Leistung betrieben werden, muss der Lastwiderstand ca. 1 Ω entsprechen. 35