E 3 Brennstoffzelle 1 Aufgabenstellung 1.1 Ermitteln Sie den Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs. 1. Nehmen Sie die Strom-Spannungs-Kennlinie eines Brennstoffzellensystems auf und erläutern Sie den erhaltenen Verlauf. Bestimmen Sie die Leerlaufspannung sowie den Kurzschlussstrom. Ermitteln Sie weiterhin den Punkt maximaler Leistung und geben sie den zugehörigen Außenwiderstand an. 1.3 Berechnen Sie die Stromdichte einer Zelle sowie die Leistungsdichte de vorliegenden Brennstoffzelle und vergleichen Sie diese mit aktuellen Modellen, die heute in der Industrie eingesetzt werden. Erklären Sie die Unterschiede. 1.4 Nehmen Sie die Wasserstoff-Strom-Kennlinie auf und erläutern Sie dessen Verlauf 1.5 Untersuchen Sie verschiedene Einflussgrößen auf die Strom-Leistungs- Kennlinie und diskutieren Sie diese. 1.5.1 Einfluss durch die Luftversorgung 1.5. Einfluss der Stack-Temperatur 1.6 Bestimmen Sie den Wirkungsgrad des vorliegenden Brennstoffzellensystems und tragen Sie den Wirkungsgrad über den Laststrom ab. Welche Schlussfolgerungen können Sie daraus ziehen Theoretische Grundlagen Stichworte zur Vorbereitung: Wasserstoff, Elektrolyse, Gesetz von Faraday, Brennstoffzelle (Aufbau, Wirkprinzip, Kennlinie, Arten), Katalyse, Metallhydridspeicher, Wirkungsgrad, Heizwert Literatur: S. Geitmann Wasserstoff und Brennstoffzellen Kap. 10.1 10.4 Hydrogeit Verlag, 004 W. Winkler Brennstoffzellenanlagen Kap..1,., 5.3, Springer Verlag, 00 R. A. Zahoransky Energietechnik Kap. 9. 9.5 Vieweg und Sohn Verlag, 007 1
S. Geitmann Erneuerbare Energien & Alternative Kraftstoffe Kap. 3.9 Hydrogeit Verlag, 005 J. Larminie Fuell Cell systems Explained A. Dicks WILEY-Verlag, 003 Aufbau und Prinzip: Die Brennstoffzelle besteht aus mindestens einer Anode und Kathode, die jeweils Wasserstoff bzw. Sauerstoff/Luft zugeführt bekommen. Getrennt werden beiden Elektroden durch eine Elektrolyt (Membran). An der Anode wird der Wasserstoff katalytisch oxidiert. Nur die gebildeten Protonen können durch die Membran in Richtung Anode diffundieren, die Elektronen müssen den Weg über den äußeren Stromkreis nehmen. An der Kathode wird der Sauerstoff ebenfalls katalytisch reduziert, anschließend erfolgt mit den Protonen die Bildung von Wasser. Abb. 1: PEM-Brennstoffzelle, Aufbau und Reaktionsablauf Redox-Reaktionsgleichung für eine Polymermembranbrennstoffzelle: Anode (Oxidation) : Kathode (Reduktion) : Gesamtreaktion: H 4H 4e O 4H 4e H O H O H O
3 Versuchsdurchführung Abb. : Brennstoffzellensystem Bevor das Brennstoffzellensystem (Stack) in Betrieb genommen wird, sollten folgende Hinweise unbedingt beachtet werden: - Informieren Sie sich vor dem Versuch über mögliche Gefahren im Umgang mit Wasserstoff oder eines Metallhydridspeichers. - Der Metallhydridspeicher muss sicher und dicht an die Apparatur angeschlossen werden. - Die Brennstoffzelle soll eine Betriebstemperatur von ca. 40 C haben. Sollte diese Temperatur erheblich unterschritten werden, können Ihre Messwerte von den theoretisch zu erwartenden stark abweichen. - Zum Schutz der Brennstoffzelle schaltet das System bei Spannungen unter 4,0 V und Strömen über 10,5 A ab. Weiterhin darf die Stack-Temperatur 50 C im Betrieb bzw. 45 C bei der Startprozedur nicht überschreiten. Sollte dies geschehen braucht das System einige Zeit um sich abzukühlen. Danach muss das System neu gestartet werden. - Sollte das Gerät einen Fehler anzeigen, so findet man die Beschreibung mittels entsprechenden Fehlercodes in der Fehlertabelle. (Betreuer informieren!) 3
Warmfahren des Systems: Für die meisten Versuche muss die Brennstoffzelle eine Betriebstemperatur von ca. 40 C haben. Um diese zu erreichen, muss die Brennstoffzelle einige Minuten mit einem Strom von ca. 5 A belastet werden. Die Regelung erfolg mittels Potentiometer. Die Lüfterleistung ist dabei manuell auf ca. 10% zu regeln. Nach erreichen der Betriebstemperatur ist die Lüfterleistung wieder auf Auto und der Strom auf Null zu stellen. Kenndaten der Brennstoffzelle: Elektrische Nennleistung 40 W Maximale Leistung 50 W Leerlaufspannung ~ 9 V Strom bei Nennleistung ~ 9 A Spannung bei Nennleistung ~ 5 V Maximaler Strom 10,5 A Wasserstoffverbrauch bei Nennleistung ~ 580 ml/min Max. Zelltemperatur 50 C (im Betrieb) 45 C (zum Anfahren) Zellanzahl des Brennstoffzellenstacks 10 Aktive Zellfläche 5 cm ² Dicke einer Zelle 1 cm Abmessung der Zelle (ohne Anbauteile): 6 cm x 7 cm x 8 cm 3.1 Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs Bauen Sie dafür eine entsprechende Schaltung auf. Regeln Sie in einem Vorversuch die entsprechenden elektrischen Parameter ein (maximaler Strom 1 A) und beobachten kurz die Gasentwicklung. Unterbrechen Sie dann den Stromfluss und entlüften Sie Auffangzylinder für Wasserstoff und Sauerstoff so, dass die jeweiligen Wasserniveaus in den Zylindern etwa bei Null sind. Bestimmen Sie dann die bei der eingestellten elektrischen Leistung gebildeten Gasmengen. Berechnen Sie den elektronischen und den Faraday schen Wirkungsgrad dieser Zelle unter Verwendung der oberen Heizwertes von Wasserstoff (H o = 1,75 MJ/m³ (Normkubikmeter)). Wiederholen Sie die Messung. Führen Sie eine Größtfehlerrechnung durch. 3. Aufnahme der U-I sowie P-I Kennlinie Die Strom- bzw. Spannungswerte können über das Potentiometer EL00 geregelt werden. Bevor der Wert aufgenommen wird, sollten Sie mindestens 15 s warten. Es sind mindestens 10 bis15 Messwerte zwischen 0 10 A aufzunehmen. Diskutieren Sie insbesondere den unterschiedlichen Verlauf der U-I-Kennlinie. Nehmen Sie 4
weiterhin die Leistungskennlinie auf und geben sie den zugehörigen Außenwiderstand für das Leistungsmaximum an. 3.3 Stromdichte / Leistungsdichte Berechnen Sie die Stromdichte einer einzelnen Zelle. Verwenden Sie dafür die entsprechenden Werte aus Kenndaten der Brennstoffzelle. Das Gehäuse selber kann dabei vernachlässigt werden. Berechnen Sie weiterhin die Leistungsdichte des gesamten Stacks (in W/l) aus den Werten bei P max. Vergleichen Sie die Daten mit industriellen Zellen (~ kw/l). Wie könnte man die Leistungsdichte der vorliegenden Zelle erhöhen? 3.4 Wasserstoffkennlinie Nehmen Sie die Wasserstoff-Leistungskennlinie auf. Beachten Sie, dass das Gerät ab und zu durchspült. In diesem Moment ist die Messwertaufnahme nicht möglich. Stellen Sie die Werte in einem Diagramm dar und erläutern Sie. Erklären Sie die Leckrate (Wasserstoffverbrau bei I = 0). 3.5 Einflussgrößen Betrachtet Sie die Einflussgrößen Temperatur und der Luftversorgung und auf die P-I-Kennlinie. Die Einflussgrößen sind separat zu betrachten. Da die Einflussgrößen sich gegenseitig selber beeinflussen ist die Messung zügig durchzuführen. Nach der Messung muss das System für weitere Messungen entsprechend abgekühlt bzw. erwärmt werden. Die Messung wird insgesamt dreimal durchgeführt und dann gemittelt. Der Strom wir mittels Potentiometer geändert. Die Teilversuche sind in jeweils separaten Diagrammen zu betrachten und zu diskutieren. - Temperatur bei Zimmertemperatur (~5 C) und bei 40 C - Luftversorgung bei 6%, 30% und bei 100% 3.6 Wirkungsgrad Bestimmen Sie den Wirkungsgrad des Brennstoffzellen-Stacks. Benutzen Sie zur Berechnung den unteren Heizwert von Wasserstoff. H u = 10,78 MJ/m³. Tragen Sie den Wirkungsgrad über den Laststrom ab und erläutern Sie den Verlauf. 5