Robert-Bosch-Gymnasium NWT Klassenstufe 10 Versuch 2 Regenerative Energien: Brennstoffzelle Albert Pfänder, 22.4.2014 Brennstoffzellen-Praktikum, Versuch 2 Kennlinien der Brennstoffzelle Versuchszweck Beim vorliegenden Versuch wird die Brennstoffzelle genauer untersucht: sie wird mit den vom Elektrolyseur erzeugten Gasen (Wasserstoff, Sauerstoff) betrieben und es wird einerseits die U-I-Kennlinie aufgenommen, zum anderen wird die Leistungskennlinie (P-I-Kennlinie) ermittelt. Daraus lässt sich der Betriebspunkt optimaler Leistung bestimmen. In einem weiteren Versuch kann statt Sauerstoff auch Luft verwendet werden; Unterschiede zwischen Sauerstoff- und Luft-Betrieb können untersucht werden. 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
Aufbau und Befüllung des Elektrolyseurs: Zum Betrieb 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! Hinweise bei der Versuchsanleitung genau beachten! Maximale Stromstärke des Elektrolyseurs (400 ma) nicht überschreiten! Seite 2 von 5
U-I- Kennlinie der Brennstoffzelle Geräte Elektrolyseur mit Überlaufrohren auf Sauerstoff- und Wasserstoffseite zwei Silikonschläuche (mit Gaseinlässen der Brennstoffzelle verbunden), 2 mit Stopfen Spritzflasche mit (unbedingt!!) destilliertem Wasser mehrere Messkabel Netzgerät, regelbar 3 Digitalmultimeter (zur Strom-, Spannungsund Widerstandsmessung) veränderbarer Belastungswiderstand (10- Gang-Wendelpotentiometer, 1 kω) 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 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; den Gasauslass Sauerstoff 2 g verbindet man über Silikonschlauch mit dem Gaseinlass Sauerstoff der Brennstoffzelle 3d. Analog verbindet man mit dem zweiten Silikonschlauch den Gasauslass Wasserstoff des Elektrolyseurs 2d mit dem Gaseinlass Wasserstoff der Brennstoffzelle 3b. Dann stellt man über Messkabel die elektrischen Verbindungen her: die Steckbuchsen 3f (Plus) und 3g (Minus) sind die Pole der Spannungsquelle Brennstoffzelle. Seite 3 von 5
Mit der Brennstoffzelle als Quelle wird nun ein Stromkreis aufgebaut (siehe Bild rechts), in dem in Serie der verstellbare Belastungswiderstand und ein Amperemeter angeschlossen werden. Direkt parallel zur Brennstoffzelle wird ein Voltmeter angeschlossen. Brennstoffzelle Durchführung Zum Betrieb der Brennstoffzelle wird am Elektrolyseur eine Stromstärke von 200-350 ma eingestellt. Die Stromstärke darf in KEINEM Fall 400 ma überschreiten, sonst kann die Polymerelektrolytmembran zerstört werden. I U R Zunächst spült man bei offenen Gasauslässen an der Brennstoffzelle mit den Gasen; dann schließt man sie mit jeweils einem Stopfen. Sind die Gasspeicher mit einigen ml Gas gefüllt, kann die Messung begonnen werden; bei vollen Speichern (10 ml Wasserstoff) kann die Stromversorgung des Elektrolyseurs auch abgestellt werden (dann muss man eben zügig messen!). Vor Beginn der Messung stellt man durch Verstellen des Verbraucherwiderstandes (Lastwiderstand) eine Stromstärke von z. B. 100 ma ein und lässt die Zelle bei geöffneten Gasauslässen eine Weile lang arbeiten. Dann sind die Schläuche alle gut mit den Reaktionsgasen (Wasserstoff, Sauerstoff) gespült und die Membran der Zelle ist ausreichend befeuchtet. Jetzt schließt man die Gasauslässe der Brennstoffzelle mit Stopfen. Nun öffnet man den Stromkreis vor dem Lastwiderstand (Widerstand ist unendlich groß) und misst die (Leerlauf- )Spannung der Brennstoffzelle. Dann stellt man den Widerstand auf den Maximalwert ein (1 kω) und misst Stromstärke und Spannung. Dazu muss man zunächst vor jeder Ablesung jeweils ungefähr eine Minute oder zwei warten, bis sich die Anzeigewerte stabilisiert haben. Nun verringert man stufenweise (z. B. in 100 Ω-Schritten, später in kleineren Abstufungen) den Widerstand, d. h. man vergrößert die Belastung immer mehr und misst jeweils Stromstärke und Spannung. Um den Widerstandswert des 10-Gang-Wendelpotentiometers zu kennen, muss es jeweils bei offenem Stromkreis an ein Digitalmultimeter im Widerstandsmessbereich angeschlossen werden. Hat man den Widerstandswert abgelesen, darf man die Stellung des Drehknopfes am Poti natürlich nicht mehr verstellen! Es lassen sich Widerstandswerte bis ca. 5 Ω noch gut einstellen. Die Werte 3 Ω und 1 Ω entnimmt man dagegen der Messbox, die dem Brennstoffzellenset beigelegt ist. Dazu am Drehstufenschalter diese Werte nacheinander einstellen! Ist die Messung beendet und der Wasserstoffvorrat noch nicht erschöpft, nimmt man an einem der beiden Enden kurz den Silikonschlauch ab (oder entfernt den Stopfen) und lässt das Gas entweichen. Wenn noch Zeit bleibt, wiederholt man dieses Experiment, schließt aber den Silikonschlauch auf der Sauerstoffseite nicht an. Oxidationsmittel ist dann der Luftsauerstoff. Der Wasserstoffspeicher muss dazu natürlich wieder befüllt werden (Gasauslass Wasserstoff an der Brennstoffzelle verschließen). Seite 4 von 5
Auswertung Die Messwerte (R, U, I ) werden in eine Excel-Tabelle eingetragen. Dann wird mit Excel ein U-I-Diagramm erzeugt (U aufgetragen über der Stromstärke I). Das ist die Belastungskennlinie der Brennstoffzelle. Dann errechnet man in einer weiteren Spalte der Excel-Tabelle aus der Spannung und der Stromstärke die jeweilige Leistung. Die Leistungswerte trägt man an einer Sekundärachse ebenfalls über der Stromstärke auf, so dass beide Kurven im selben Schaubild liegen. Liefert die Leistungskurve ein Maximum, ist dieser Wert zu bestimmen. Es wird eine Größtfehlerberechnung durchgeführt. Die Messergebnisse (Verlauf der Kennlinien etc.) sind zu diskutieren. Seite 5 von 5