Physikalisches Anfaengerpraktikum. Brennstoffzelle

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1 Physikalisches Anfaengerpraktikum Brennstoffzelle Ausarbeitung von Marcel Engelhardt & David Weisgerber (Gruppe 37) Freitag, 25. Februar 2005

2 I. Versuchsaufbau und -beschreibung Die Versuchsapparatur bestand im wesentlichen aus zwei Teilen. Im Elektrolyseur wurde durch das anlegen einer Spannung Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Diese Gase wurden dann ueber Schlaeuche an zwei Brennstoffzellen weitergeleitet. In diesen Zellen wurden dann die Gase wieder in Wasser umgewandelt wobei Energie in Form von elektrischen Strom freigesetzt wurde. Dieser elektrische Strom wurde dann in mehreren Versuchsreihen mit unterschiedlichen Verbrauchern und unter variierenden Bedingungen gemessen. Elektrolyseur und Brennstoffzelle bestehen aus zwei durch eine Protonendurchlaessige Membran (PEM) getrennte Kammern in die jeweils entweder Wasserstoff oder Sauerstoff einstroemt (bzw. beim Elektrolyseur erzeugt werden). Auf jeder Seite ist die Membran mit einem Kohlenstoffpapier und einem metallischen Gehaeuse kontaktiert ueber die dann der Strom gemessen werden kann (bzw. bei dem beim Elektrolyseur die Spannung anliegt). Die Gleichung der Redoxreaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff lautet: H 2 2 H 2e 2 O 2 4 e 2O 2 2 H 2 O 2 2 H 2 O Wie man aus der Gleichung erkennen kann, besteht Wasser aus doppelt so viel Atomen Wasserstoff wie Sauerstoff.

3 II. Bestimmung der Leckstroeme Die bei diesem Versuch entstehenden Leckstroeme, die zu einem niedrigeren Wirkungsgrad der Brennstoffzelle fuehren, lassen sich auf zwei verschiedene Phaenomene zurueckfuehren. Zum einem entweicht sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff durch Diffusion aus dem System, zum anderen reagiert in der Zelle ein gewisser Teil der Gase auch ohne dass die Elektronen ueber den Messstromkreis fliessen. Das laesst sich dadurch erklaeren, dass die Membran nicht nur fuer Protonen durchlaessig ist sondern zum Teil auch fuer Elektronen. Zur Bestimmung des Leckstroms wurde ein Gasvorrat von 59,8 ml Wasserstoff und 28,9 ml Sauerstoff gebildet und anschliessend der Volumenverlust innerhalb von 15 Minuten gemessen. t in min V(H2) in ml V(02) in ml 0 59,8 28,9 1 59,8 28,9 2 59,8 28,9 3 58,8 28, ,8 27, ,8 27, ,8 25, ,3 25,9 dv dt = V H 2 0min V H 2 15 min = 7,5ml l 15min 15 min =8, s Zur Berechnung des Leckstroms wird dann folgende Formel verwendet: I = dv dt N A n e= V mol Q Leck=N Anzahl der Teilchen n bei der Reaktion beteiligte Eletrkonen e I = dn dt n e N = V N A V mol mit V mol =22,4 mol /l 8, l 1 s 6, mol 22,4 l mol 1 1, C=0,036 A

4 Fehlerrechnung Der Fehler der Steigung des Graphen wurde mit dem Tabellenkalkulationsprogramm ermittelt und betraegt a=0, l min Damit laesst sich der Fehler des Messtroms einfach bestimmen da ansonsten nur noch Konstanten vorkommen: I = a I =0,002 A a Daher lautet unser Ergebnis fuer den Leckstrom mit Fehler: I Leck =0,036 A±0,002 A III. Messung der Kennlinie ohne Volumenstrombeschraenkung Zur Messung der Leistung der Brennstoffzelle wurde zuerst ein Gasvorrat erzeugt (und waehrend der Messung durch Nachregelung des Elektrolyseurs moeglichst konstant gehalten). Anschliessend wurden mit verschiedenen Widerstaenden sowohl Spannung als auch Stromstarke an den beiden Brennstoffzellen gemessen. Diese Messungen wurden dreimal jeweils bei in Reihe geschalteten Brennstoffzellen und bei parallel geschalteten Brennstoffzellen durchgefuehrt. Die Strom-Spannungskennlinie laesst sich in drei Teile gliedern: Im ersten Teil zwischen fuer hohe Spannungen und niedrige Stroeme (also bei Messungen mit Widerstaenden zwischen 10Ω und 100Ω) ueberwiegen elektrokinetische Widerstaende. Im zweiten Teil, in dem man die Steigung der Kurve als annaehernd linear betrachten kann ueberwiegt der ohmsche Widerstand. In diesem Teil wurden die Messungen mit Widerstaenden zwischen 10Ω und 0,3Ω gemessen. Im dritten Teil der Kurve herrschen sehr hohe Stroeme und die Spannung ist sehr niedrig. Daher kann es zu Spannungszusammenbruechen kommen. In diesem Bereich nimmt auch die Gaskonzentration an den Elektroden sehr stark ab und die Reaktion kann teilweise zum erliegen kommen.

5 Parallel Wasserstoff bei 60ml Messung 1 U(l) 0,909 R in Ω U in V I in A 0 0,237 2,860 0,3 0,561 1,195 0,5 0,602 0, ,687 0, ,755 0, ,782 0, ,804 0, ,842 0, ,870 0, ,896 0, ,910 0,008 Wasserstoff bei 50ml Parallel Messung 3 U(l) 0,934 R in Ω U in V I in A 0 0,237 2,860 0,3 0,567 0,987 0,5 0,613 0, ,694 0, ,759 0, ,785 0, ,807 0, ,845 0, ,873 0, ,899 0, ,914 0,008 Parallel Wasserstoff bei 50ml Messung 2 U(l) 0,923 R in Ω U in V I in A 0 0,237 2,860 0,3 0,566 1,200 0,5 0,613 0, ,693 0, ,759 0, ,786 0, ,808 0, ,846 0, ,875 0, ,901 0, ,915 0,009 R in Ω Mittelwerte U in V I in A 0 0,237 2,860 0,3 0,565 1,127 0,5 0,609 0, ,691 0, ,758 0, ,784 0, ,806 0, ,844 0, ,873 0, ,899 0, ,913 0,008 0,931 0,000 Messung der Kurzschlussspannung bei Parallelschaltung: U =0 =0,237V I =0 =2,86 A Dies sind die Messwerte die direkt von den Strommessgeräten abgelesen wurden. Für den Fehler der Messwerte sind laut Anleitung folgende Werte angegeben: Abweichung der Stromstärke I =±2%±1 Digit Abweichung der Spannung U =±1%±1 Digit Die Abweichungen werden im Kennlinien-Diagramm als Fehlertoleranz eingetragen.

6 Seriell Wasserstoff bei 50ml Messung 1 U(l) 1,886 R in Ω U in V I in A 0,3 0,556 1,205 0,5 0,674 1, ,923 0, ,175 0, ,320 0, ,419 0, ,555 0, ,647 0, ,731 0, ,787 0,017 Seriell Wasserstoff bei 50ml Messung 2 U(l) 1,869 R in Ω U in V I in A 0,3 0,563 1,201 0,5 0,680 1, ,918 0, ,168 0, ,313 0, ,412 0, ,549 0, ,639 0, ,728 0, ,782 0,017 Seriell Wasserstoff bei 50ml Messung 3 U(l) 1,872 R in Ω U in V I in A 0,3 0,578 1,222 0,5 0,691 1, ,930 0, ,177 0, ,320 0, ,415 0, ,550 0, ,641 0, ,726 0, ,781 0,017 R in Ω Mittelwerte U in V I in A 0,3 0,57 1,21 0,5 0,68 1,09 1 0,92 0,8 2 1,17 0,51 3 1,32 0,38 5 1,42 0, ,55 0, ,64 0, ,73 0, ,78 0,02 1,89 0 Messung der Kurzschlussspannung bei Seriellschaltung: U =0 =0,237V I =0 =2,86 A Für die Fehler der Messung gilt das selbe wie für die Parallelschaltung der Brennstoffzellen.

7 Kennliniendiagramme Die Kennliniendiagramme wurden aus den Mittelwerten der jeweiligen Messungen für Parallel- und Seriellschaltung der Brennstoffzelle gewonnen. Es wurden nur die Messwerte für Widerstände zwischen 0,3Ω und 10Ω verwendet da in diesem Bereich der ohmsche Innenwiderstand überwiegt und die Kurve einen linearen Verlauf zeigen sollte. Wie man sieht ist dies insbesondere für die Seriellschaltung der Brennstoffzelle der Fall. Zur Berechnung des ohmschen Innenwiderstands der Zelle wird die Steigung der Linearen Ausgleichsgerade benützt, die im bereits im Diagramm eingetragen ist und automatisch vom Programm zur Erstellung des Graphen erzeugt wurde. Eins durch diese Steigung ergibt dann den Innenwiderstand der Zelle. Für den Fehler wurde angenommen, dass sich dieser quadratisch fortpflanzt. R= I I 2 U U 2=2,2% R innen, parallel =0,26 ±0,01 R innen, seriell =0,92 ±0,02 Um nun auf die Innenwiderstände einer einzelnen Zelle zu kommen, benützt man die Rechenregeln für die Seriell- bzw. Parallelschaltung von Widerständen und kommt auf folgende Werte: R Zelle, parallel =2 R innen, parallel =0,52 ±0,02 R Zelle, seriell = R innen, seriell =0,46 ±0,01 2

8 Wie man an den Ergebnissen erkennen kann, liegen die Werte für den Widerstand bei unseren beiden Kennlinienmessungen relativ nahe beieinander, allerdings nicht innerhalb des Fehlertoleranzbereichs. Dies kann an unterschiedlichen Leistungswerten der Zellen liegen die dann vermutlich zu etwas anderen Widerstandswerten führen. Bestimmung der maximalen Leistung der Zelle Zur Bestimmung der maximalen Leistung der Zelle wurden wiederum die Mittelwerte der Messungen für die Seriell- und die Parallelschaltung der Zelle verwendet und dann über die Standardgleichung für die Berechnung der Leistung bestimmt. Der Fehler pflanzt sich analog zum Widerstand fort. P=U I Parallelschaltung R in Ω P in W Fehler +/- in W 0,3 0,637 0,014 0,5 0,520 0,011 1,0 0,354 0,008 2,0 0,222 0,005 3,0 0,162 0,004 5,0 0,110 0, ,059 0, ,031 0, ,014 0, ,008 0,000 Seriellschaltung R in Ω P in W Fehler +/- in W 0,3 0,684 0,015 0,5 0,744 0, ,741 0, ,595 0, ,505 0, ,405 0, ,236 0, ,133 0, ,062 0, ,030 0,001 Wie man aus den Tabellen ablesen kann, wird der Maximalwert bei der Parallelschaltung bei einem Widerstand von 0,3Ω erreicht und bei der Seriellschaltung bei einem Widerstand von 0,5Ω. P max, parallel =0,637W ±0,014W P max, seriell =0,744W ±0,016W Aus diesem Ergebnis kann man schliessen, dass die Zelle wohl bei Spannungen um 0,6V und Strömen um 1,1A am effizientesten arbeitet. Berechnung des Austauschstroms und des Transferkoeffizienten Als naechstes wird die Tafelgleichung benuetzt um den Transferkoeffizienten zu berechnen und um die Austauschstromdichte zu bestimmen: U =U gemessen U Leerlauf U = R T F ln I 0 I

9 Diese loesen wir nach α auf: I = R T ln 0 F I U g U L Um nun die Austauschstromdichte I 0 bestimmen zu koennen, werden in die Gleichung Messwerte fuer Spannung und Strom bei verschiedenen Widerstaenden eingesetzt und diese dann entsprechend umgeformt. I 0 =e U g2 U L ln I 1 U g1 U L ln I 2 U g2 U g1 Mit dem Wert fuer I 0 kann nun der Transferkoeffizient bestimmt werden. Fuer die Bestimmung des Transferkoeffizienten wurden die Temperatur mit T=296,15 K bestimmt. Kommen wir nun zur Berechnung selbst. Zur Bestimmung des Austauschstroms wurden jeweils die Werte für 100Ω und 5Ω verwendet, der Messfehler wird mangels besseren Wissens analog zum Widerstand mit 2,2% angenommen. Die Werte für die Spannung U wurden um den Spannungsabfall am Innenwiderstand der Zelle korrigiert. Hierzu wurde jeweils ein ln(i)-u-diagramm erstellt an dem man sehr schön sehen kann wie die ersten 4 Werte auf einer Gerade liegen: Der Spannungsausgleich wurde anhand folgender Formeln durchgeführt: U korr, parallel =U mess R 1, parallel I mess U korr, seriell = U mess 2 R 1, seriell I mess

10 Für I 0 erhielten wir folgende Werte: I 0, parallel =0,00316 A±0,0001 A I 0, seriell =0,00361 A±0,0001 A Hiermit wurden folgende Werte für den Transferkoeffizienten gewonnen: R in Ω α parallel 0,3 0,12 0,5 0,13 1,0 0,13 2,0 0,12 3,0 0,11 5,0 0, , , , ,03 R in Ω α seriell 0,3 0,16 0,5 0,16 1,0 0,15 2,0 0,14 3,0 0,14 5,0 0, , , , ,05 Berechnung des technischen Wirkungsdrades Zur Berechnung des technischen Wirkungsgrades der Brennstoffzelle wird folgende Formel verwendet: tech = n F U H n=2 H = 286 kj mol bei Normalverhaeltnissen Fuer die Serienschaltung muss noch ein Vorfaktor von 1/2 eingehen: tech = 1 2 n F U H n=2 H = 286 kj mol bei Normalverhaeltnissen In die Fehlerrechnung gingen die Abweichungen für die Spannung sowie für die Enthalpie ein: = U 2 tech U H 2 H =1%

11 Damit ergaben sich folgende Resultate: R in Ω η tech, parallel 0,3 0,19 0,5 0,21 1,0 0,23 2,0 0,26 3,0 0,26 5,0 0, , , , ,31 R in Ω η tech, seriell 0,3 0,19 0,5 0,23 1,0 0,31 2,0 0,40 3,0 0,44 5,0 0, , , , ,60 Wie man bereits aus der Formel herauslesen kann, ergeben sich für hohe Spannungen und damit bei Messungen mit großen Widerständen die höchsten technischen Wirkungsgrade. Der Fehler beträgt jeweils +/-0,01. Vergleich des Wirkungsgradverlaufs zwischen Brennstoffzelle und herkömmlichen Verbrennungsmotoren Das folgende Diagramm (aus dem Internet) war leider das einzige was uns zu diesem Thema Daten liefern konnte. Wie man sieht erreicht die Brennstoffzelle ihr relatives Wirkungsgrad-Maximum sehr viel schneller als Otto- oder Dieselmotor. Ausserdem ist auch bei niedrigen Nennleistungen der relative Wirkungsgrad von Anfang an sehr viel höher als bei den Verbrennungsmotoren die insgesamt erst bei 60% der Nennleistung ihren maximalen Wirkungsgrad erreichen.

12 IV.Messung der Kennlinie mit Volumenstrombeschraenkung Zur Volumenstrombeschraenkung wurden die beiden Klemmen an den Abgasschlaeuchen der Brennstoffzelle geoeffnet. Dadurch baut sich kein groesserer Gasvorrat im System auf und der Brennstoffzelle steht immer genau die Menge an Wasserstoff und Sauerstoff zur Verfuegung, die im Elektrolyseur erzeugt wird. Dadurch ist es moeglich den Wirkungsgrad des Gesamtsystems zu Messen. Wir erhielten folgende Messergebnisse: Seriell mit Volumenstrombeschränkung Messung 1 Elektrolyseur: U(l) 1,874 U in V I in A R in Ω U in V I in A 1,645 1,000 0,3 0,218 1,205 0,5 0,287 1, ,520 0,806 Kurzschluss 2 1,020 0,507 U in V I in A 3 1,334 0,385 0,042 0, ,438 0, ,568 0, ,655 0, ,737 0, ,788 0,017 1,885 0,000 Seriell mit Volumenstrombeschränkung Messung 2 Elektrolyseur: U(l) 1,880 U in V I in A R in Ω U in V I in A 1,820 2,000 0,3 0,474 0,960 0,5 0,618 0, ,012 0,862 Kurzschluss 2 1,276 0,544 U in V I in A 3 1,384 0,400 0,091 0, ,462 0, ,580 0, ,662 0, ,736 0, ,779 0,017 1,880 0,000 In die folgenden Diagramme wurde eine Leckstromkorrektur mit eingearbeitet. Daher wurden alle Stromstärkewerte um jeweils 0,036A erhöht (Berechnung der Leckstromkorrektur siehe Kapitel II). Bei dieser Korrektur fliesst ein systematischer Fehler mit ein. Dieser Fehler von 0,002 A wird zum statistischen Fehler hinzuaddiert.

13 Leider war bei unseren Messungen nur bei den Werten für die 2,0A Elektroly- Strom-Messung die Kennlinie gut zu bestimmen. Die erste Messreihe weicht doch deutlich von der aus der Abbildung von Kapitel 3 zu erwartenden Messkurve ab. Dafür ist die letzte Messung sehr gut gelungen da der theoretische Kurvenverlauf deutlich zu erkennen ist.

14 Leistung und Wirkungsgradbestimmung der Brennstoffzelle Das interessante an diesen beiden Messreihen ist die Bestimmung des Wirkungsgrades des Gesamtsystems. Hierzu wird jeweils die Leistung der Brennstoffzelle bestimmt. Die Leistung des Elektrolyseurs ist nach der bekannten Formel leicht zu berechnen: P Elektrolyseur bei 1,0 A =U I =1,645W ±0,036 W P Elektrolyseur bei 2,0 A =U I =3,64W ±0,08W Der Wirkungsgrad wurde wie folgt bestimmt: = P Brennstoffzelle P Elektrolyseur Damit ergibt sich folgende Tabelle für Leistung und Wirkungsgrad: Messung 1 I (Elektrolyseur) = 1,0A R in Ω P in W η 0,3 0,263 0,16 0,5 0,314 0,19 1 0,419 0,25 2 0,517 0,31 3 0,514 0,31 5 0,413 0, ,240 0, ,134 0, ,063 0, ,030 0,02 Messung 2 I (Elektrolyseur) = 2,0A R in Ω P in W η 0,3 0,46 0,13 0,5 0,59 0,16 1 0,87 0,24 2 0,69 0,19 3 0,55 0,15 5 0,43 0, ,24 0, ,14 0, ,06 0, ,03 0,01 Wie man aus den Tabellen entnehmen kann, wird der höchste Wirkungsgrad bei einem Widerstand von 2Ω und einem Elektrolyseurstrom von 1,0A erreicht. Die größte Leistung der Brennstoffzelle wird hingegen bei einem Widerstand von 1Ω und einem Elektrolyseurstrom von 2,0A erreicht. Bei den Ergebnissen wurde aus gutem Grund weder der Leckstrom noch der Spannungsabfall am Widerstand herausgerechnet. Unsere gemessenen Ergebnisse stellen die Leistungswerte dar die auch technisch genutzt werden können. Insgesamt ist der erzielte Wirkungsgrad hoch einzuschätzen da damit gerechnet werden muss dass bei dieser Versuchsanordnung sehr viel Wasserstoff und Sauerstoff durch die offenen Abgasrohre verloren gehen. Daher ist ein Wirkungsgrad von 0,31 sehr hoch anzurechnen, selbst ein Ottomotor hat nur einen Wirkungsgrad von 0,15-0,20 (und das obwohl bei unserem Versuch der Wirkungsgrad bei der Herstellung des Brennstoffs noch mit einfloss). Als Fazit kann man dem entnehmen dass die Brennstoffzelle einen hochwertigen Energiespeicher darstellt, der das Potenzial hat in Zukunft Verbrennungsmotoren in manchen Bereichen zu verdrängen. Trotzdem bleibt die Frage woher die Energie zur Herstellung von Wasserstoff kommen soll ungeklärt.