Bedienungsanleitung. JuniorBasic J102 JuniorSet.

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1 Bedienungsanleitung J101 JuniorBasic J102 JuniorSet

2 Inhalt Ihre Aufsichtspflicht Ziel / Einleitung Bestimmungsgemäße Verwendung Allgemeine Sicherheitshinweise Überblick Inbetriebnahme Versuche aus dem Begleitbuch Wartung Fehlerquellen Material und Technische Daten H-TEC EDUCATION GmbH Maria-Goeppert-Str. 9a Lübeck Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) info@h-tec-education.com Website: 2

3 Ihre Aufsichtspflicht Diese Bedienungsanleitung ist für die verantwortliche Auf sichts per son bestimmt. Lesen Sie die Be die nungs an lei tung vor Gebrauch, befolgen Sie den Inhalt und halten Sie die An lei tung nachschlagebereit. Befassen Sie sich insbesondere mit den allgemeinen Si cher heits hinweisen (siehe S. 6). Ziel / Einleitung Dieses Produkt ist nur unter Anleitung der verantwortlichen Aufsichtsper son in Betrieb zu nehmen und zu betreiben. Ziel / Einleitung Der prognostizierte Klimawandel kombiniert mit dem weltweit steigenden Energiebedarf und den rückläufi gen Ressourcen an Kohle, Öl und Gas machen die Erschließung neuer Energiequellen zu einer der Haupt auf ga ben des 21. Jahrhunderts. Eine besondere Bedeutung kommt dabei der Wasserstofftechnologie zu. Mit Hilfe von Brennstoffzellen lässt sich aus Wasserstoff und Sauerstoff direkt Strom erzeugen. Das einzige Ab fall pro dukt: Wasser. Mit Hilfe von Strom, der beispielsweise aus Solarzellen ge won nen wird, kann der benötigte Wasserstoff wiederum direkt aus Was ser durch Spal tung in Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt werden. Das zugrunde lie gen de Prinzip nennt sich Elektrolyse. Gemeinsam bilden beide Verfahren den solaren Wasserstoffkreislauf. Mit dem vorliegenden Funktionsmodell lassen sich durch einfache Ex pe rimen te alle Stufen des solaren Wasserstoffkreislaufes ausführlich erklären. Ein einfaches Prinzip, das im kleinen wie im großen Maßstab funktioniert und dabei Ressourcen schont und die Umwelt entlastet. Kein Wunder also, dass alle Experten der Brennstoffzellentechnologie beste Zu kunfts aussichten prognostizieren. In dieser Anleitung werden Aufbau, Inbetriebnahme und Funktionsweise des Junior Basic erläutert. Darüber hinaus fi nden Sie auch Vorschläge für den Einsatz der Geräte im Unterricht. 3

4 Spannende Experimente und interessante Einblicke in die Zukunft der Energieversorgung wünscht Ihnen das Team der Best. Verwendung H-TEC EDUCATION GmbH Bestimmungsgemäße Verwendung Mit den in dieser Anleitung beschriebenen Geräten lassen sich die Funk tions wei sen von PEM-Brennstoffzellen (PEM = Proton Exchange Membrane = Protonen-Austausch-Membran), PEM-Elektrolyseuren und Solarmodulen demonstrieren und messtechnisch erfassen. Die Geräte sind aus schließ lich für Lehr- und Demonstrationszwecke entwickelt worden. Jede andere Ver wen dung ist unzulässig. ACHTUNG! Zum Betrieb des JuniorBasic wird destilliertes Wasser benötigt. Dieses Wasser wird im Elektrolyseur in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt. In der Brennstoffzelle reagieren der Wasserstoff (H 2 ) und der Sauerstoff (O 2 ) wieder miteinander. Bei unsachgemäßer Handhabung stellen diese Gase eine Ge fah ren quel le dar. Um Gefahren vorzubeugen, beachten Sie beim Betrieb der Geräte unbedingt die Sicherheitshinweise. H-TEC-Zellen sind funktionsabhängig farblich ein deu tig ge kenn zeich net. blau: rot: Elektrolyseur Brennstoffzelle Allgemeine Sicherheitshinweise Die dem Produkt separat beiliegenden Allgemeinen Sicherheitshinweise sind vor Verwendung des Produktes zu lesen und zu befolgen! 4

5 JuniorBasic (J101) im Überblick Das JuniorBasic ist ein Funktionsmodell des solaren Wasserstoffkreislaufes. Über das Solarmodul wird Strom erzeugt, durch den destilliertes Wasser im Elektrolyseur in Sauerstoff und Was ser stoff zersetzt wird. Die er zeug ten Gase wer den in getrennten Gas spei chern auf ge fan gen. In der Brennstoffzelle reagieren die beiden Gase wieder miteinander zu Wasser. Dabei wird Strom erzeugt, mit dem ein elektrischer Verbraucher betrieben werden kann. Solarmodul Elektrolyseur Gasspeicher Brennstoffzelle Verbraucher Überblick Grundplatte Verschlusskappe JuniorBasic (J101) Das JuniorBasic besteht aus: 1x Basis-Experimentiersystem Brennstoff zel le bestehend aus Solarmodul, PEM-Elektrolyseur, Wasserstoff- und Sau er stoff spei chern, PEM-Brenn stoff zel le und Lüf ter auf Grundplatte (Art.-Nr.: J101) Zusätzlich wird benötigt: Handelsübliches destilliertes Wasser (Leitwert <2 µs/cm) Saugfähige Tücher Begleitbuch Brennstoffzellen im Un terricht 5

6 In be trieb nah me 1. Überprüfen Sie vor dem Befüllen, ob die Verschlusskappen auf den un te ren Anschlüs sen der Brennstoffzelle sit zen. Markierung Inbetriebnahme 2. Befüllen Sie beide Speicher bis zur unteren Markierung der Ausgleichsbehälter mit destilliertem Wasser (Abb. 1). 3. Öffnen Sie nacheinander die Ver schluss kap pen auf beiden Seiten der Brenn stoff zel le. Die Luft aus den Gasspeichern, Elektrolyseur und Brennstoffzelle ent weicht. Der Vorgang ist abgeschlossen, sobald der Wasserstand in den Speichern nicht mehr sinkt (Abb. 2). Im Anschluss verschließen Sie die unteren An schlüs se der Brenn stoffzelle wieder. Hinweis Im Elektrolyseur sollten sich keine Luft bla sen mehr befi nden. Sollte dies nicht der Fall sein, pumpen Sie Wasser durch drücken der un te ren Schläuche in die Zelle. 4. Verbinden Sie die Kabel der Solarzelle mit dem Elektrolyseur. Achten Sie dabei auf die Polung (rot = +, schwarz = - ). 5. Bei ausreichender Beleuchtung des So larmo duls beginnt der Elektrolyseur mit der Produktion von Wasserstoff und Sau er stoff im Verhältnis 2:1 (Abb. 3)

7 Hinweis Reicht die Be leuch tungs si tu a ti on nicht aus, kön nen Sie einen starken Halogenstrahler einsetzen. Achtung: Bei Verwendung von Leuchten ist der vom Lampenhersteller angegebene Mindestabstand zu be ach ten. 6. Die produzierten Gase werden in den Gas spei chern aufgefangen. 7. Sind die Gasspeicher gefüllt, entweicht überschüssiges Gas in Blasenform. 8. Öffnen Sie die Verschlusskappen auf beiden Seiten der Brennstoffzelle, so dass ca. 10 cm 3 der gespeicherten Gase durch die Brenn stoff zel le strömen können. In den Schläuchen und in der Brennstoffzelle ver blie be ne Restluft und Restfeuchte ent weicht. Im Anschluss setzen Sie die Verschlusskappen wieder auf. Inbetriebnahme 9. Warten Sie, bis die Gasspeicher wieder komplett mit Gas gefüllt sind Schließen Sie den elektrischen Ver brau cher an die Brennstoffzelle an. (Abb. 4). 11. Das Gerät ist nun im Demonstrationsbetrieb und kann auch zu Versuchsdurchführ ungen eingesetzt werden. 7

8 Speicher entleeren Um die Speicher nach dem Betrieb zu ent lee ren, halten Sie das Junior Basic wie in Abb. 5 über ein Auffanggefäß und schwenken Sie es mehrmals, bis die Speicher kom plett ge leert sind. 5 Inbetriebnahme Versuche aus dem Begleit buch Ausführliche Versuchsbeschreibungen zur Berechnung von Kennlinien und Wirkungsgraden sowie umfangreiche Hintergrundinformationen zur Wasserstofftechnologie fi nden sie im H-TEC Lehrbuch. Im Folgenden er hal ten Sie einige An re gun gen, wie Sie die Ge rä te im Unterricht ein set zen können, um die Grund prin zi pi en der Was ser stoff tech no lo gie anschaulich zu de mons t rie ren. Zersetzung von Wasser unter Be trachtung des entstehenden Wasserstoff- und Sauerstoff-Gasvolumens (2.1.) Strom-Spannungs-Kennlinie, Leis tungskurve und Wirkungsgrad des Solarmoduls (2.2.) Strom-Spannungs-Kennlinie des PEM- Elektrolyseurs (2.3.) Energetischer und faradayscher Wir kungsgrad des PEM-Elektrolyseurs (2.4.) Strom-Spannungs-Kennlinie und Lei stungskurve der PEM-Brennstoffzelle (2.5.) Energetischer und faradayscher Wir kungsgrad der PEM-Brennstoffzelle (2.6.) 8

9 Wartung Brennstoffzellen des verwendeten Typs be nö ti gen kei ne Wartung. Achten Sie jedoch auf fol gen de Punkte: Verwenden Sie für jeden Betrieb fri sches, de s til lier tes Wasser. Nach dem Betrieb ist das Wasser aus den Spei chern zu entfernen. Bevor Sie die Zelle einlagern: Setzen Sie den Betrieb fort, bis der Ver brau cher von selbst stoppt. Damit er rei chen Sie, dass etwas Wasser in der Zelle verbleibt und die Membran be feuch tet. Schließen Sie die Verschlusskappen, damit das Was ser in der Zelle nicht so schnell verdunstet. Wischen Sie die Grundplatte trocken, um Was sers pu ren zu ver mei den. Fehlerquellen Die Brennstoffzelle hat nur eine geringe Leistung. Ursache: Die Zelle wurde sehr lange oder zu trocken eingelagert. Eine Zelle mit trockener Mem b ran verliert an Leistung. Wartung / Fehlerquellen Lösung: Den Betrieb fortsetzen. Die Zelle be feuch tet sich während des Betriebs und fi ndet so lang sam zur vollen Leistungsfähigkeit zurück. Trotz vorhandenem Wasserstoff funktioniert der an die Brenn stoffzel le an ge schlos se ne Verbraucher nicht. Ursache: Es ist Wasser in die Brennstoffzelle gelangt (z.b. über den Speicher). Wassertropfen in der Brennstoffzelle können die Gaszufuhr blockieren und zu einem rapiden Leistungsabfall führen. 9

10 Lösung: Trocknen Sie die Zelle, indem Sie die Anschlüsse öffnen und die Zelle gegebenenfalls durchpusten. Bei angeschlossener Solarzelle erzeugt der Elektrolyseur keinen Wasserstoff. Ursache: Die Lichtintensität reicht nicht aus. Lösung: Sie be nö ti gen aus rei chend Sonnenlicht oder Halogenlampen mit fokussiertem Licht. Energiesparlampen, Leuchtstoffröhren etc. sind für den Be trieb von So lar mo du len un ge eig net. Wartung / Fehlerquellen Trotz korrekten Aufbaus funktioniert der Elektrolyseur nicht. Ursache: Sie haben kein destilliertes Wasser verwendet. Die Zelle ist ir re pa ra bel geschädigt. 10

11 Material und Technische Daten JuniorBasic (J101) Elektrolyseur: Elektrodenfl äche 4 cm 2 H 2 -Produktion 5 cm 3 /min O 2 -Produktion 2,5 cm 3 /min Leistung 1,16 W Zulässige Spannung 0-2 V= Zulässiger Strom 0-2 A= Brennstoffzelle: Elektrodenfl äche 4 cm 2 Leistung 500 mw Erzeugte Spannung 0,40-0,96 V Kurzschlussfest Gasspeicher: Volumen 30 cm 3 Solarmodul: Fläche 90 cm 2 Leerlaufspannung 2 V Strom 350 ma Leistung (MPP) 500 mw Lüfter: Leistung 10 mw Technische Daten H x B x T (JuniorBasic) Gewicht (JuniorBasic) 100 x 300 x 150 mm 600 g JuniorSet (J102) 1 x JuniorBasic 1 x Widerstandsdekade 2 x Digital Multimeter (2 mm Buchsen) (mit 2 mm Buchsen) 3 x Kabel (schwarz) 3 x Kabel (rot) 1 x Destilliertes Wasser (250 ml) 1 x Stoppuhr H x B x T (JuniorSet) Gewicht (JuniorSet) 140 x 450 x 380 mm 2,8 kg 11

12 BDA_J101_de_1.7 H-TEC EDUCATION GmbH