PEM-Brennstoffzelle Betriebsanleitung. 1 auf der Rückseite auf der 6. Rückseite

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1 R PEM-Brennstoffzelle Betriebsanleitung 3 1 auf der Rückseite auf der 6 Rückseite Fig. 1: PEM-Brennstoffzelle 1 ZWECK UND BESCHREIBUNG Eine PEM-Brennstoffzelle erzeugt elektrische Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff. Das Kernstück besteht aus einer protonenleitfähigen Membran (PEM = Proton Exchange Membrane = Protonen-Austauch-Membran) zwischen Elektroden, die mit Katalysatormaterial beschichtet sind. Diese Brennstoffzelle ist ausschließlich für Lehr- und Demonstrationszwecke entwickelt worden, eine andere Verwendung ist unzulässig. Die Brennstoffzelle ist für einen Betrieb bei Umgebungstemperatur und einen Gasdruck, der etwa dem Umgebungsdruck entspricht, ausgelegt. Mit ihr können die Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle demonstriert und die elektrischen Eigenschaften durch Aufnahme einer Strom-Spannungs-Kennlinie und durch Bestimmung des Wirkungsgrades untersucht werden. 2 SICHERHEITSHINWEIS Zum Betrieb der PEM-Brennstoffzelle werden Wasserstoff und Sauerstoff benötigt. Anstelle des Sauerstoffs kann wahlweise Luft verwendet werden. Die allgemeinen Sicherheitsvorschriften beim Umgang mit Wasserstoff und Sauerstoff sind zu beachten. Die Bildung von explosionsfähigen Gasgemischen muß verhindert werden. 3 FUNKTIONS- UND BEDIENELEMENTE 1 Eingang-Stutzen zum Zuführen von Wasserstoff 2 Ausgang-Stutzen zum Ausströmen von nicht verbrauchtem Wasserstoff und zum Abfließen des entstehenden Wassers 3 Eingang-Stutzen zum Zuführen von Sauerstoff 4 Ausgang-Stutzen zum Ausströmen von nicht verbrauchtem Sauerstoff und zum Abfließen des entstehenden Wassers 5 4-mm-Buchse (Minus) 6 4-mm-Buchse (Plus) 4 HANDHABUNG Zur Demonstration der Erzeugung elektrischer Energie mit der PEM-Brennstoffzelle genügt es, auf einer Seite Wasserstoff zuzuführen, während auf der anderen Seite Luft durch die offenen Stutzen diffundiert. Durch die erzeugte elektrische Energie dreht sich z.b. ein kleiner Motor (z.b. 2- V-Motor mit Scheibe ). Zur Messung elektrischer Kenndaten der Brennstoffzelle sollte auf der zweiten Seite Sauerstoff zugeführt werden. Achtung: An die Brennstoffzelle darf keine Spannung angelegt werden! Die dann einsetzende Elektrolyse würde die Zelle zerstören! Ein Kurzschluß der Brennstoffzelle sollte vermieden werden (max. 10 s). In die Zelle darf nur destilliertes Wasser (entmineralisiertes Wasser, σ <2 µs/cm) gelangen, kein Leitungswasser, keine Säure oder Lauge! Bei der Zuführung von Wasserstoff zur Brennstoffzelle ist darauf zu achten, daß auch der Zuleitungsschlauch mit Wasserstoff gefüllt ist und nicht mit Luft, bevor er an die Brennstoffzelle angeschlossen wird. Sonst könnte der Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Luft direkt an einer Elektrode reagieren, was zu Funkenbildung und zur Zerstörung der Membran führen könnte. Mögliche Arten der Gasversorgung: Bei der Versorgung der Brennstoffzelle mit Gasen können die Ausgänge 2 und 4 entweder offen bleiben oder verschlossen werden. Die Ausgänge können offen bleiben, wenn die Gase in größeren Mengen kontinuierlich zur Verfügung stehen und der Gasstrom durch ein Ventil eingestellt wird. Beispiele: Druckdosen mit Feinregulierventil, Stahlflaschen mit Reduzierventil, Elektrolyseure und auch Metallhydridspeicher mit Ventil zum Einstellen des Gasstroms. PHYWE SYSTEME GMBH Robert-Bosch-Breite 10 D Göttingen Telefon (05 51) Telefax (05 51)

2 Die Ausgänge werden bei solchen Wasserstoffquellen verschlossen, bei denen der Wasserstoff ohne Verschließen des Ausgangs relativ schnell ungenutzt ausströmen würde. Dies ist z.b. bei den Kleingasometern der Gasbar (Best.- Nr ) der Fall, bei denen nur eine geringe Gasmenge unter einem kleinen Überdruck zur Verfügung steht. Die Ausgänge müssen außerdem verschlossen werden, wenn zur Wirkungsgradmessung die Menge der verbrauchten Gase bestimmt werden soll (siehe Experiment Wirkungsgradmessung ). Fig. 2: Versorgung der PEM-Brennstoffzelle durch Gasdruckdosen mit Feinregulierventil zelle gedrückt werden, müssen die Auslaßstutzen der Brennstoffzelle verschlossen werden (genaue Beschreibung siehe Experiment Wirkungsgrad. 4. Metallhydridspeicher (Best.-Nr ) Bei längerer Lagerung ist der Metallhydridspeicher mit einer Verschlußkappe gesichert. Zur Entnahme von Wasserstoff wird der zum Lieferumfang gehörende Schlauchadapter (oder ein Regulierventil Best.-Nr ) verwendet. Der Adapter ist zunächst durch Rechtsdrehen der Einstellschraube mit dem Inbusschlüssel zu verschließen, bevor er auf den Metallhydridspeicher aufgeschraubt wird. Dann wird die Einstellschraube vorsichtig aufgedreht und der Gasaustritt durch Eintauchen in ein Wasserglas kontrolliert. Es genügt wenn ein Gasbläschen pro Sekunde austritt. Anschließend wird der Metallhydridspeicher über einen Schlauch an den Eingang der Brennstoffzelle angeschlossen. Die Metallhydridspeicher können mit offenem oder mit geschlossenen Ausgang der Brennstoffzelle betrieben werden, da ein Gasüberdruck von ca. 600 hpa, den der Metallhydridspeicher liefert, der Brennstoffzelle nicht schadet. 1. Gasdruckdosen mit Feinregulierventil oder Stahlflaschen mit Reduzierventilen Dabei ist nur ein sehr geringer Gasstrom erforderlich. Die Gasdruckdosen werden über Silikon- oder Gummischläuche mit den oberen Stutzen verbunden. Zur Kontrolle des Gasverbrauchs können auch an die unteren Stutzen Schläuche angeschlossen werden, die das nicht verbrauchte Gas jeweils in ein Becherglas mit destilliertem Wasser leiten. Es genügt, die Ventile der Druckdosen nur so weit zu öffnen, daß etwa alle 10 s eine Gasblase austritt. (Fig. 2) 2. Elektrolyseure Wenn der PEM-Elektolyseur (Best.-Nr ) zur Verfügung steht, so liefert dieser auf die einfachste Weise die Gasversorgung für die Brennstoffzelle. Es ist sicherzustellen, daß der Zuleitungsschlauch für Wasserstoff vor Anschluß an die Brennstoffzelle nicht mit Luft gefüllt ist. Dies wird dadurch erreicht, daß der Elektrolyseur einige Minuten lang Gase produziert (bei einer Stromstärke von 1 A ca. 2 min, bei einer Stromstärke von 100 ma (Solarbatterie) ca. 20 min), bevor die Schläuche an die Brennstoffzelle angeschlossen werden, zur Kontrolle dieses Vorgangs können die Schläuche auch zunächst vollständig mit Wasser gefüllt werden, das dann von den produzierten Gasen verdrängt wird (genaue Beschreibung siehe Experiment Kennlinie ). Bei Gasversorgung aus Elektrolyseuren mit alkalischem oder saurem Elektrolyten (z.b. Wasserzersetzungsapparat nach Hoffmann) müssen aus Sicherheitsgründen immer Waschflaschen zwischengeschaltet werden. 3. Gasbar (Best.-Nr ) Die Gasbar besteht aus zwei Klein-Gasometern, in denen z.b. Wasserstoff und Sauerstoff gespeichert werden können. Die Gase haben in der Gasbar einen Überdruck von bis zu 25 hpa (= 25 cm Wassersäule). Damit die Gase nicht zu schnell ungenutzt durch die Brennstoff- 5 FUNKTIONSWEISE DER PEM-BRENNSTOFF- ZELLE Das Kernstück der PEM-Brennstoffzelle ist eine Membran- Elektrodeneinheit. Auf die dünne protonenleitfähige Membran (PEM = protone exchange membrane) ist auf beiden Seiten eine Schicht aus Katalysatormaterial aufgebracht. Diese beiden Schichten bilden Anode und Kathode der elektrochemischen Zelle. In der Brennstoffzelle wird chemische Energie in Form von Wasserstoff und Sauerstoff direkt, d.h. ohne einen Verbrennungsprozess, in elektrische Energie umgewandelt. Wasserstoff und Sauerstoff reagieren zu Wasser unter Abgabe von Strom und Wärme. Es findet folgende Reaktion statt (Fig 3): Anode 2H 2 > 4H + + 4e - Kathode 4e - + 4H + + O 2 > 2H 2 O Gesamtreaktion 2H 2 + O 2 > 2H 2 O Fig. 3: Funktionsprinzip einer PEM-Brennstoffzelle 2

3 Der an die Anode geführte gasförmige Wasserstoff wird oxidiert, er zerfällt durch die katalytische Wirkung der Elektrode (z.b. Platin) in H + -Ionen und Elektronen. Die H + -Ionen (Protonen) gelangen durch die protonenleitfähige Membran auf die Kathodenseite. Die Elektronen wandern bei geschlossenem äußeren Stromkreis zur Kathode und verrichten auf diesem Weg elektrische Arbeit. Der an der Kathode zugeführte gasförmige Sauerstoff wird reduziert, wobei zusammen mit den H + -Ionen und Elektronen Wasser gebildet wird. 7 TECHNISCHE DATEN PEM-Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff oder Luft. Elektrodenfläche 16 cm 2 max. Leistung 1 W Leerlaufspannung ca. 0,9 V kurzschlußfest bis ca. 10 s Ein PEM-Elektrolyseur funktioniert prinzipiell in umgekehrter Weise: Aus elektrischer Energie wird Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Die technische Ausführung der Elektoden ist jedoch eine andere. An die PEM-Brennstoffzelle darf deshalb keine Spannung angelegt werden, sie arbeitet nicht als Elektrolyseur! 6 WARTUNG Die Brennstoffzelle benötigt keine besondere Wartung. Achten Sie jedoch auf folgende Punkte: Niemals eine äußere Spannung an die Brennstoffzelle anlegen. Dies kann zur sofortigen Zerstörung führen. Die Zelle sollte immer feucht sein. Ideal ist die Gegenwart von Wassertropfen an den Plexiglasplatten. Um eine Austrocknung zu verhindern, wird empfohlen, die Gasanschlüsse zu verschließen, indem z.b. Eingangund Ausgangstutzen durch einen Schlauch miteinander verbunden werden. Eine ausgetrocknete Membran schadet der Zelle jedoch nicht. Sie zeigt lediglich am Anfang eine deutlich schlechtere Leistung. Die schnellste und einfachste Art der Wiederbefeuchtung ist das Durchblasen mit dem Atem. Sie befeuchtet sich im Betrieb aber auch selbst und hat nach ca. 15 min wieder gute Leistung. Die Brennstoffzelle kann auch vorsichtig mit destilliertem Wasser aus einer Spritzflasche wieder befeuchtet werden. Zuviel Feuchtigkeit schadet der Zelle. In der Zelle stehendes Wasser muß ausgeblasen werden (aber nicht mit ölhaltiger Druckluft!). 3

4 8 EXPERIMENTE 1. Aufnahme der Kennlinie der PEM-Brennstoffzelle Die Gasversorgung der Brennstoffzelle erfolgt am einfachsten direkt vom Elektrolyseur, es ist aber auch möglich, die Gase aus der Gasbar zu entnehmen, wie dies beim Versuch Wirkungsgradmessung beschrieben ist. Material PEM-Brennstoffzelle Schaltkasten Widerstand 10 Ohm, Gehäuse G1 (2x) Widerstand 5 Ohm, Gehäuse G Widerstand 2 Ohm, Gehäuse G Widerstand 1 Ohm, Gehäuse G1 (2x) Kurzschlußstecker, schwarz (2x) Digitalmultimeter* (2x) Verbindungsleitung, 50 cm, rot (2x) Verbindungsleitung, 50 cm, blau Verbindungsleitung, 75 cm, rot Verbindungsleitung, 75 cm, blau * oder Demonstations-Meßinstrumente (niederohmiger 10-A-Meßbereich erforderlich!) Gasversorgung durch PEM-Elektrolyseur: PEM-Elektrolyseur Netzgerät universal Verbindungsleitung, 50 cm, rot Verbindungsleitung, 50 cm, blau Spritzflasche 500 ml Becher 250 ml, Kunststoff ca. 1 Liter destilliertes Wasser (entmineralisiertes Wasser, σ <2 µs/cm) trolyseurs gehörenden Siliconschläuche anschließen. Beide Wasservorratsbehälter bis zur oberen Markierungslinie (Gastest) mit destilliertem Wasser füllen, dabei die Schläuche hochhalten, sodaß auch diese sich mit Wasser füllen. Gummistopfen so auf die Vorratsbehälter aufsetzen, daß sich keine Luftblasen darunter bilden und fest aufdrücken. Die mit Wasser gefüllten Schläuche in einen Becher mit destilliertem Wasser halten. Den Elektrolyseur nach Fig. 4 an das Netzgerät anschließen und eine Stromstärke von max. 2 A bzw. eine Betriebsspannung von max. 2 V einstellen. Wenn Wasserstoff und Sauerstoff im Becher aus den Schläuchen austreten, werden diese kurz zusammengedrückt und an die oberen Einlaßstutzen der Brennstoffzelle angeschlossen. Achtung: Evtl. noch vorhandene Wassertropfen in den Schläuchen können die Gaszufuhr zur Brennstoffzelle unterbrechen, die Ausgangsspannung geht dann zurück. Schläuche kurz anheben, um Wasser auslaufen zu lassen. Die elektrischen Daten der Brennstoffzelle sind vom Gasdurchfluß und der Feuchtigkeit der Membran abhängig. Zur Herstellung eines stabilen Zustandes der Brennstoffzelle sollte diese vor Aufnahme der Kennlinie zunächst für ca. 5 min im Leerlauf und dann ca. 5 min mit einem festen Lastwiderstand von z.b. 2 Ω betrieben werden. Nach der Schaltskizze in Fig. 5 verschieden große Lastwiderstände an die Brennstoffzelle anschließen und jeweils Spannung U und Stromstärke I messen. Aufbau und Durchführung Der Versuchsaufbau erfolgt nach Fig. 4 und der Schaltskizze Fig 5. Vorbereitung des Elektrolyseurs: An die oberen Auslaufstutzen der Vorratsbehälter des Elektrolyseurs jeweils die zum Lieferumfang des Elek- Fig. 4: Kennlinie der PEM Brennstoffzelle(Versuchsaufbau) Fig. 5: Kennlinie der PEM-Brennstoffzelle (Schaltskizze) 4

5 Zuerst die Leerlaufspannung messen und dann die Meßreihe mit großen Widerstandswerten beginnen. Da der Innenwiderstand des Amperemeters nicht vernachlässigbar gegenüber dem Lastwiderstand ist, sollte stets der 10-A-Meßbereich verwendet werden. Bei Widerstandswerten kleiner als 1Ω sind die Werte für Stromstärke und Spannung evtl. nicht stabil, wenn nicht genügend Gas zugeführt wird. Vor der Messung sollte der Stromkreis ca. 30 s geöffnet sein, um eine gute Gasversorgung zu gewährleisten. Das Kurzschließen der Brennstoffzelle sollte vermieden werden (max. 10 s)! Meßergebnisse Tabelle R / Ω Kombination U / V I / A unendlich 0,93 0,00 28 = ,83 0,02 25 = ,82 0,03 20 = ,81 0,04 15 = ,80 0, ,79 0,07 7 = 5+2 0,78 0,11 5 0,76 0,14 4 = 2+2 0,75 0,18 3 = 2+1 0,74 0,24 2 0,72 0,35 1 0,68 0,65 0,83 = 1 // 5 0,67 0,71 0,67 = 1 // 2 0,65 0,87 0,50 = 1 // 1 0,63 1,10 0,40 = 1 // 1 // 2 0,62 1,30 0,37 = 1 // 1 // 2 // 5 0,61 1,41 Die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle ist abhängig von den Gasdrücken, dem Gasdurchfluß, der Feuchtigkeit der Membran und der Temperatur. Die Meßwerte aus der Tabelle sind in Fig. 6 dargestellt. Die Leerlaufspannung beträgt U 0 = 0,93 V Bei größeren Stromstärken zeigt die Kennlinie in Fig. 6 einen nahezu linearen Verlauf. Sollte die Kennlinie in diesem Bereich vom linearen Verlauf abweichen, so ist evtl. die Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff und Sauerstoff nicht ausreichend. Auswertung Befinden sich eine Wasserstoff- und eine Sauerstoff-Elektrode in einer Brennstoffzelle, so besteht zwischen den beiden Elektroden eine Potentialdifferenz E. Sie ist temperaturabhängig, der theoretische Wert läßt sich aus der freien Reaktionsenthalpie G berechnen und beträgt bei 25 C E = 1,23 V Bei der Brennstoffzelle kann die Klemmenspannung maximal so groß sein wie dieser theoretische Wert. Es treten aber noch zusätzliche Potentialsprünge an den Elektroden auf: Im elektrochemischen Gleichgewicht treten an den Elektroden noch Phasengrenzpoteniale zwischen Elektrode und Membran auf. Dabei findet ständiger Ladungsaustausch zwischen beiden statt, die Bruttoreaktion ist aber gleich Null. Fließt zusätzlich ein Strom durch die Brennstoffzelle, so wird das elektrochemische Gleichgewicht an den Elektroden gestört. Das Elektrodenpotential nimmt durch verschiedene Reaktionen an der Elektrode einen anderen, von der Stromdichte abhängigen Wert an. Die Abweichung vom Gleichgewichtswert heißt Elektrische Polarisation, die Elektrode wird polarisiert. Die Kennlinie der Brennstoffzelle zeigt deshalb erst beim Übergang zu größeren Stromstärken annähernd einen linearen Verlauf, in diesem Bereich ist die Wanderung der Ionen durch die Membran maßgebend. Fig. 6: Strom-Spannungs-Kennlinie einer PEM-Brennstoffzelle 5

6 2. Bestimmung des Wirkungsgrades der PEM- Brennstoffzelle Die Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff und Sauerstoff erfolgt mit Hilfe der Gasbar, da der Verbrauch an Wasserstoff gemessen werden soll. Die Gasbar wird in dieser Versuchsbeschreibung mit Hilfe des PEM-Elektrolyseurs gefüllt, sie kann auch direkt mit Gasen aus einer Druckdose gefüllt werden. Für dieses Experiment sind Gummischläuche besser geeignet als Siliconschläuche, da die Gasdiffusion durch die Siliconschläuche größer ist (Wasserstoff diffundiert hinaus, Stickstoff hinein in den Schlauch). Material PEM-Brennstoffzelle Schaltkasten Widerstand 2 Ohm, Gehäuse G Gasbar Gummischlauch, d i = 4 mm Gummischlauch, d i = 6 mm Schlauchklemme, Breite 10 mm (4x) Schlauchverbinder (Red.) 3-6 / 7-11 mm (2x) Spritzflasche 500 ml Becher 250 ml, Kunststoff Stoppuhr* Handmeßgerät für Druck* Thermometer* Digitalmultimeter* (2x) Verbindungsleitung, 50 cm, rot (2x) Verbindungsleitung, 50 cm, blau Verbindungsleitung, 75 cm, rot Verbindungsleitung, 75 cm, blau ca. 1 Liter destilliertes Wasser (entmineralisiertes Wasser, σ <2 µs/cm) * oder entsprechende Demonstrations-Meßinstrumente Fig. 7: Wirkungsgrad der PEM-Brennstoffzelle (Versuchsaufbau) zum Füllen der Gasbar PEM-Elektrolyseur Netzgerät universal Verbindungsleitung, 50 cm, rot Verbindungsleitung, 50 cm, blau oder Gasdruckdosen Aufbau und Durchführung Vorbereitung der Gasbar mit 2 Gasometern: Ein Gasometer besteht jeweils aus einem Erlenmeyerkolben mit aufgesetztem zylindrischen Trichter und einem gewinkelten Glasröhrchen. Die Reduktionsstücke mit einem kurzen Stück Gummischlauch (d i = 6 mm) jeweils an die Glasröhrchen der Gasometer anschließen. Beide Gasometer jeweils über die zylindrischen Trichter mit destilliertem Wasser füllen, bis die Erlenmeyerkolben und die rechtwinkligen Glasröhrchen möglichst blasenfrei gefüllt sind. Überschüssiges Wasser läuft dann über die Glasröhrchen ab und wird in einem Becher aufgefangen. Die zylindrischen Trichter besitzen Markierungen für die Füllhöhe. Es empfiehlt sich, die Genauigkeit dieser Markierungen zu kontrollieren, indem der ganze Trichter mit destilliertem Wasser gefüllt wird, das dann in ein Volumenmeßgerät ausfließt. Die Vorbereitung des Elektrolyseurs erfolgt wie im Versuch Kennlinie beschrieben. Wenn Wasserstoff und Sauerstoff aus den Schläuchen austreten, werden diese kurz zusammengedrückt und an die Klein-Gasometer der Gasbar angeschlossen. Zur Bestimmung des Wirkungsgrades der Brennstoffzelle sollten beide Gasometer der Gasbar möglichst vollständig gefüllt sein. Übersteigt die Gasproduktion das maximale Füllvolumen der Klein-Gasometer (ca. 250 ml), so entweicht das überschüssige Gas durch den Trichter nach außen. Daher kann nicht nur das H 2-6

7 sondern auch das O 2 -Gasometer problemlos mit Hilfe des Elektrolyseurs vollständig gefüllt werden. Nach dem Füllen der Gasometer den Elektrolyseur abschalten und die Schläuche dicht hinter dem Elektrolyseur abklemmen. Der Versuchsaufbau erfolgt nach Fig. 7 und und der Schaltskizze in Fig 5. Die unteren Auslaufstutzen der Brennstoffzelle mit kurzen Schlauchstücken (d i = 4 mm) und Klemmen fest verschließen. Die oberen Einlaufstutzen der Brennstoffzelle jeweils mit einem Gasometer verbinden. Die Klemmen an den Verbindungsschläuchen zwischen Gasometer und Brennstoffzelle öffnen. Nach der Schaltskizze in Fig. 5 einen Lastwiderstand von 2Ω an die Brennstoffzelle anschließen. Die Brennstoffzelle verbraucht Wasserstoff und Sauerstoff im Verhältnis 2:1. Das Volumen V H2 des verbrauchten Wasserstoffs wird in Abhängigkeit von der Zeit t gemessen. Hinweis: Die Werte für Spannung und Stromstärke sind nicht über längere Zeit konstant, da die Gasversorgung der Elektroden schlechter wird. Daher wird empfohlen, jeweils die Zeit für einen Verbrauch von 25 ml Wasserstoff zu messen und zwischen den Messungen die Brennstoffzelle mit Wasserstoff und Sauerstoff durchzuspülen. Auf der Sauerstoffseite der Brennstoffzelle die Klemme am unteren Auslaufstutzen vorsichtig öffnen und ca. 25 ml Sauerstoff durchströmen lassen, Klemme schließen. Danach auf gleiche Weise Wasserstoff durchströmen lassen, bis der Wasserstand im zylindrischen Trichter ca. 1 mm über einer Marke steht und Klemme wieder schließen. Zeitmessung starten, wenn der Wasserstand die Marke überschreitet und stoppen, wenn 25 ml Wasserstoff verbraucht sind. Spannung U und Stromstärke I zu Beginn und am Ende des Zeitintervalls messen. Brennstoffzelle wieder mit Sauerstoff und Wasserstoff durchspülen und eine neue Zeitmessung für den Verbrauch von 25 ml Wasserstoff durchführen. Raumtemperatur ϑ und Umgebungsdruck p amb messen. Meßergebnisse Tabelle (Lastwiderstand 2Ω) p amb = 998 hpa ϑ = 23 C Marke V H2 / ml t / min:s U / V I / A 225 0:00 0,75 0, :05 0,75 0, :00 0,75 0, :07 0,73 0, :00 0,75 0, :57 0,75 0, :00 0,75 0, :51 0,74 0,35 Mittelwerte: t = 540s U = 0,75V I = 0,35A Auswertung Die Faradayschen Gesetze stellen einen Zusammenhang her, zwischen der benötigten Stoffmenge n und dem Strom I, der für eine Zeit t erzeugt wird. (1) Dabei ist n = Stoffmenge (Wasserstoff), I = Stromstärke, t = Zeit, z = 2, Anzahl der Elektronen im Wasserstoffmolekül, F = As/mol, Faradaykonstante Das Volumen einer Stoffmenge n läßt sich mit Hilfe der allgemeinen Gasgleichung bestimmen. (2) Dabei ist T = absolute Temperatur, p = Druck, R = 8,31 J/(mol K), allgemeine Gaskonstante Aus (1) und (2) ergibt sich (3) Bei der Brennstoffzelle wird dieses Gasvolumen pro Zeiteinheit benötigt, damit der Strom I fließen kann. Zur Bestimmung des Wirkungsgrades der Brennstoffzelle werden die elektrische Energie W el und die chemische Energie W H2 des benötigten Wasserstoffs berechnet. (4) (5) Dabei ist U = Spannung, I = Stromstärke, t = Zeit, n = Stoffmenge des Wasserstoffs H = molarer Heizwert (molare Reaktionsenthalpie) des Wasserstoffs Man unterscheidet zwischen dem unteren Heizwert H u und dem oberen Heizwert H o. Molare Heizwerte von Wasserstoff: H u = 242,0 kj/mol H o = 286,1 kj/mol Die Differenz zwischen beiden ist die molare Verdampfungsenthalpie (Kondensationsenthalpie) q von Wasser. (6) I t n = z F V V t Wel = U I t W n R T = p I R T = z F p H 2 = H = H + q o n H u Für den Druck p kann der Wert des gemessenen Umgebungsdrucks p amb eingesetzt werden. Zwei Korrekturen müßten vorgenommen werden, die sich aber gegenseitig aufheben: Im Gasometer steht eine Wassersäule über dem Gas, ein Druck von ca. 20 hpa müßte addiert werden. Der erzeugte Wasserstoff ist mit Wasserdampf gesättigt, der Sättigungsdampfdruck von 23 hpa müßte subtrahiert werden. 7

8 Die theoretisch benötigte Gasmenge nach Gleichung (3) wird mit der gemessenen verglichen und daraus die Gasausnutzung berechnet. I = 0,35 A p = 998 hpa T = 296 K I U t p T V H2 = 0,35 A = 0,75 V = 540 s = 998 hpa = 296 K = 25 ml gemessen: V H2 / t = 0,0463 ml/s theoretisch: V H2 / t = 0,0447 ml/s Gasausnutzung: 97 % Die fehlenden 3% des Gases sind Diffusionsverluste innerhalb der Zelle. Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle berechnet sich mit Gleichung (4) und (5). (7) Aufgrund der in der Brennstoffzelle ablaufenden Reaktion müßte für die Berechnung des Wirkungsgrades der obere Heizwert H o eingesetzt werden. Im technischen Bereich ist es aber üblich, mit dem unteren Heizwert H u zu rechnen, da die Kondensationswärme nur Wärme erzeugt und keine elektrische Energie. Die gemessenen Volumina V des Wasserstoffs werden mit Hilfe der allgemeinen Gasgleichung (2) auf Stoffmengen n umgerechnet. Somit erhält man für den Wirkungsgrad (8) η = Wel U I t η = = W n H H 2 RTU It H p V Unter den im Experiment angegebenen Bedingungen beträgt der Wirkungsgrad (berechnet mit H u ): η = 58 % Der Wirkungsgrad einer PEM-Brennstoffzelle ist nicht nur vom Lastwiderstand abhängig sondern auch von den Gasdrücken, dem Gasdurchfluß, der Feuchtigkeit der Membran und der Temperatur. 3. PEM-Anlage, versorgt durch Solarenergie Der PEM-Elektrolyseur wird mit elektrischer Energie aus einer Solarbatterie betrieben. Die vom PEM-Elektrolyseur erzeugten Gase versorgen die PEM-Brennstoffzelle und mit der von der Brennstoffzelle gelieferten elektrischen Energie wird ein kleiner Motor betrieben. Material PEM-Brennstoffzelle PEM-Elektrolyseur Solarbatterie, 4 Zellen Glühlampe 220V, 120W, m. Refl Lampenfassung E27, Netzanschl Motor, 2V Scheibe für 2V-Motor Dreifuß PASS Tonnenfuß PASS Verbindungsleitung, 50 cm, rot (2x) Verbindungsleitung, 50 cm, blau (2x) Spritzflasche 500 ml ca. 0,5 Liter destilliertes Wasser (entmineralisiertes Wasser, σ <2 µs/cm) 8