Robert-Bosch-Gymnasium

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Daniela Junge
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1 Robert-Bosch-Gymnasium NWT Klassenstufe 10 Versuch 1 Regenerative Energien: Brennstoffzelle Albert Pfänder, Brennstoffzellen-Praktikum, Versuch 1 Kennlinie des Elektrolyseurs Versuchszweck Beim vorliegenden Versuch soll zunächst die I-U-Kennlinie des Elektrolyseurs aufgenommen und daraus die Zersetzungsspannung ermittelt werden. Hieraus erhält man durch Vergleich mit den theoretischen Werten die Überspannung (an der Sauerstoffseite, Ru- /Ir-Elektrode). Durch Messung der Stromstärke und der Zeit bei der Produktion einer definierten Wasserstoff- bzw. Sauerstoffgasmenge kann die Avogadro-Konstante ermittelt und mit dem Literaturwert verglichen werden. Das Experiment wird dazu in zwei Teilen durchgeführt. Versuchsaufbau / Materialien / Durchführung Nachfolgend die Beschreibung der Materialien und des grundsätzlichen Versuchsaufbaus nach den Vorgaben des Herstellers Heliocentris; siehe auch die beiliegende Gerätekarte zum Versuch! Seite 1 von 5

2 Aufbau und Befüllung des Elektrolyseurs: Zur Aufnahme der Kennlinie des Elektrolyseurs verwenden wir als Stromquelle nicht das Solarmodul, sondern ein regelbares Netzgerät, bei dem sich die Spannung in feinen Stufen einstellen lässt. Die Stromstärke am Elektrolyseur darf nicht über 400 ma ansteigen, sonst kann die PEM durch die Wärmeentwicklung irreversiblen Schaden nehmen!! ACHTUNG Sicherheitshinweis: Wasserstoffgas ist leicht entzündlich; bei Kontakt mit Luft bzw. bei Durchmischung mit Luft kann es bei Zündung zu einer Explosion kommen. Daher: kein offenes Feuer verwenden oder Funken erzeugen. Bitte Schutzbrille tragen! Seite 2 von 5

3 Hinweise bei der Versuchsanleitung genau beachten! Maximale Stromstärke des Elektrolyseurs (400 ma) nicht überschreiten! Kennlinie des Elektrolyseurs Geräte Elektrolyseur mit Überlaufrohren auf Sauerstoff- und Wasserstoffseite zwei Silikonschläuche (mit Stopfen) Spritzflasche mit (unbedingt!!) destilliertem Wasser Messkabel Netzgerät, regelbar 2 Digitalmultimeter (zur Strom- und Spannungsmessung) Stoppuhr Aufbau Der Elektrolyseur wird über Messkabel unter Einschleifung eines Amperemeters mit dem Netzgerät verbunden; dieses ist zunächst noch ausgeschaltet. Dabei ist der Pluspol des Netzgerätes mit dem Pluspol (rot) des Elektrolyseurs zu verbinden, der Minuspol des Netzgerätes mit dem Minuspol des Elektrolyseurs. Bei falscher Polung (und zu hoher Spannung) kann die Membran des Elektrolyseurs Schaden nehmen. Direkt an den Anschlusspolen des Elektrolyseurs schließt man dann noch ein zweites Digitalmultimeter als Spannungsmessgerät an. Nun wird in beide Seiten des Elektrolyseurs mit Hilfe einer Spritzflasche destilliertes Wasser eingefüllt, bis der Wasserspiegel jeweils die 0 ml-marke erreicht. Dann schließt man bei 2g und 2d (Gasauslass Sauerstoff und Gasauslass Wasserstoff) Silikonschläuche an (zunächst ohne Stopfen!). Durchführung Bei unverschlossenen Silikonschläuchen schaltet man das Netzgerät nun ein und erhöht die Spannung von Null Volt aus so lange, bis ein deutlicher Strom fließt, z. B. 200 ma. Die Stromstärke darf in KEINEM Fall 400 ma überschreiten, sonst kann die Polymerelektrolytmembran zerstört werden. Diesen Strom (200 ma) behält man nun ca. 1 min bei. Dann ist der Silikonschlauch mit den entstandenen Gasen gespült; man dreht die Spannung am Netzgerät nun auf Null Volt zurück und verschließt nun die beiden Schläuche mit Stopfen. Der Wasserstand (0 ml) wird nochmals kontrolliert, ggf. auch korrigiert. Nun beginnt die eigentliche Messung der Kennlinie. Dazu erhöht man die Spannung zunächst in größeren, ab der erwarteten Zersetzungsspannung dann in kleineren Schritten. Man notiert die Spannungswerte und die zugehörigen Stromstärkewerte. Die Messung wird so weit geführt, bis die Stromstärke 400 ma erreicht. Dann ist sie beendet. Es wird ständig kontrolliert, dass die Gasspeicher nicht zu voll werden (Wasserstoffseite beachten!! Nicht mehr als 10 ml Wasserstoffgas erzeugen!). Seite 3 von 5

4 Auswertung Die Messwerte werden in eine Excel-Tabelle eingetragen. Dann wird mit Excel ein I-U-Diagramm erzeugt (I aufgetragen über der Spannung U). Legt man an den linear ansteigenden Zweig der Kennlinie eine Tangente, schneidet diese die U-Achse bei der Zersetzungsspannung. Diese ist zu ermitteln. Es wird eine Größtfehlerberechnung durchgeführt. Bestimmung der Faraday-Konstanten Geräte (wie oben) Elektrolyseur mit Überlaufrohren auf Sauerstoff- und Wasserstoffseite zwei Silikonschläuche (mit Stopfen) Spritzflasche mit (unbedingt!!) destilliertem Wasser Messkabel Netzgerät, regelbar Digitalmultimeter (zur Spannungsmessung) Stoppuhr Aufbau (wie oben) Der Elektrolyseur wird über Messkabel unter Einschleifung eines Amperemeters mit dem Netzgerät verbunden; dieses ist zunächst noch ausgeschaltet. Dabei ist der Pluspol des Netzgerätes mit dem Pluspol (rot) des Elektrolyseurs zu verbinden, der Minuspol des Netzgerätes mit dem Minuspol des Elektrolyseurs. Bei falscher Polung (und zu hoher Stromstärke) kann die Membran des Elektrolyseurs Schaden nehmen. Nun wird in beide Seiten des Elektrolyseurs mit Hilfe einer Spritzflasche destilliertes Wasser eingefüllt, bis der Wasserspiegel jeweils die 0 ml-marke erreicht. Dann schließt man bei 2g und 2d (Gasauslass Sauerstoff und Gasauslass Wasserstoff) Silikonschläuche an (zunächst ohne Stopfen). Durchführung Man schaltet das Netzgerät ein und regelt die Stromstärke auf einen Wert von z. B ma. Die Stromstärke sollte im höheren Bereich (kurz unterhalb der 400 ma-grenze) liegen. Diese Stromstärke behält man ca. 1 Minute bei; dann sind die Schläuche mit den entstehenden Gasen gespült. Nun schaltet man das Netzgerät aus und verschließt den Schlauch an der Wasserstoffseite mit einem Stopfen. Es können auch beide Seiten verschlossen werden, d.h. auch die Sauerstoffseite. Verbrauchtes Wasser füllt man wieder bis zur 0 ml-marke auf. Beim Wieder-Einschalten des Netzgerätes startet man auch eine Stoppuhr. Man kontrolliert fortlaufend, ob die Stromstärke den eingestellten Wert konstant beibehält; andernfalls muss man die Spannung etwas nachregeln. Diese Stromstärke behält man so lange bei, bis 10 ml Wasserstoffgas im Vorratsbehälter (Gasspeicher) des Elektrolyseurs entstanden sind. Dann bricht man die Elektrolyse ab und liest die benötigte Zeit ab. Nach Beendigung der Messung entfernt man den Stopfen vom Schlauch am Wasserstoffspeicher und lässt das Wasserstoffgas entweichen. Seite 4 von 5

5 Um ein Molekül Wasserstoff durch Elektrolyse zu erzeugen, müssen 2 Protonen H + entladen werden; dazu benötigt man 2 Elektronen. Auswertung Mit Hilfe des molaren Volumens V mol = 22,4 l/mol kann man mit Hilfe der Gleichung V = n V mol ausrechnen, wieviel Mol Wasserstoff die 10 ml darstellen. Zusammen mit den obigen Informationen kann man berechnen, welche elektrische Ladung benötigt wird, um die berechnete Stoffmenge an Wasserstoffkationen (Protonen) zu entladen. Umgekehrt kann man aus der während der Elektrolyse herrschenden Stromstärke und der Elektrolysedauer die tatsächlich geflossene Ladung ermitteln (Q = I t). Die beiden Werte sind miteinander zu vergleichen; es ist eine Größtfehlerrechnung durchzuführen und die Abweichung des ermittelten Ladungswertes vom errechneten Wert zu bestimmen. Die Faradaykonstante F gibt den Quotienten aus der Ladung von N L Elementarladungen (Elektronen, Protonen) und der Stoffmenge n = 1 mol an (wobei: N L = Loschmidtzahl: N L = 6, F = 9, C/mol Bestimme die Faraday-Konstante aus der Messung von Gasvolumen (daraus ergibt sich die Stoffmenge) und geflossener Ladung. Vergleiche mit dem Literaturwert! (Prozentuale Abweichung). Überprüfe, ob der ermittelte und der erwartete Wert der Faraday-Konstanten im Rahmen der bei der Messung herrschenden Messgenauigkeit übereinstimmen! Seite 5 von 5

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