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Bren Nst Off Zelle

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Brennstoffzelle

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  • FortgeschrittenenPraktikum

    Solar und BrennstoffzelleFlorian Bckmann, Michael Hdl

    24.11.2010

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  • Inhaltsverzeichnis1 Vorbereitung/Beantwortung der Fragen 3

    1.1 Gefahren bei reinem Sauer und Wasserstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Membran in der Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Maximal mgliche Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4 Solarzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.5 Dotierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.6 Fllfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.7 Sinkende Leistung bei steigender Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . 51.8 Schwarze Strahler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.9 Wiensches Verschiebungsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.10 Typische Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.11 Bandlcke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.12 Diffusionslnge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.13 Gleichrichterwirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.14 UIKennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.15 Photostrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.16 Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.17 Effizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.18 Emissionsspektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    2 Versuchsdurchfhrung 82.1 Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2 Dunkelkennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3 Kennlinie mit konstanter Beleuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

    2.3.1 R = 22 Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3.2 R = 47 Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3.3 R = 220 Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.4 R = 1 k Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3.5 R = 10 k Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3.6 R = 22 k Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.3.7 Optimaler Lastwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    2.4 Leistung in Abhngigkeit der beleuchteten Flche . . . . . . . . . . . . . . 142.5 Fllfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.6 Parallel und SerienInnenwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.7 Kennlinie des Elektrolyseurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.8 Wirkungsgrad des Elektrolyseurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.9 Faradaysches Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.10 Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.11 Brennstoffzelle Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.12 Verbrauchte Gasmenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.13 Wirkungsgrad der Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

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  • 1 Vorbereitung/Beantwortung der Fragen1.1 Gefahren bei reinem Sauer und WasserstoffRauchen oder offenes Feuer in der Nhe der Anlage fhrt zu Brand und Explosionsge-fahr! Reiner Wasserstoff verdrngt Atemsauerstoff in der Luft Erstickungsgefahr!

    1.2 Membran in der BrennstoffzelleIn der Brennstoffzelle ist eine dnne, ionenleitendende Polymermembran, welche es denauf der Anodenseite aufgespaltenen Wasserstoffmoleklen erlaubt auf die andere Seite zudiffundieren um dort mit Sauerstoffatomen zu Wasser zu reagieren. Das Material mussgasundurchlssig sein, um eine Entstehung von Knallgas zu verhindern. Ein Elektrolytgrenzt Anode und Kathode von der Membran ab.

    1.3 Maximal mgliche SpannungDie maximal mgliche Spannung einer Brennstoffzelle ist durch die thermodynamischenDaten der Reaktion von Wasser und Sauerstoff gegeben und betrgt bei 25C etwa 1.23V. Durch Reaktionshemmungen, Innenwiderstnde, dem Material der Elektroden undauch ungengender Gasdiffusion kommt es aber zu niedrigeren Spannungen, blicherwei-se zwischen 0.6 und 0.9 Volt. Der Brennstoff, die Qualitt der Zelle und die Temperaturhaben ebenfalls einen Einfluss auf die Spannung, welche durch Reihenschaltung zu sog.stacks erhht werden kann.

    1.4 SolarzelleSolarzellen bestehen aus einem Halbleiter meist Silizium. Ist die Energie der Photonendes einfallenden Lichts grer als die Bandlcke, werden sie absorbiert und heben Elek-tronen vom Valenz ins Leitungsband. Ist die Energie der Photonen zu gering, gehen sieeinfach durch das Material fr sie erscheint der Kristall vllig durchsichtig.

    1.5 DotierungUnter p und nDotierung versteht man den Einbau von Fremdatomen, die entwederhherwertig sind und damit ein freies Elektron mitbringen (nDotierung) oder nieder-wertiger sind und somit eine zustzliche Lcke ins Gitter bringen (pDotierung). Die beindotierten Halbleitern eingebrachten Atome heien Donatoren (im Fall von Silizium istdies z.B. Aluminium oder Gallium) und entsprechend bezeichnet man die Fremdatomebei der pDotierung als Akzeptoren (dies sind z.B. Phosphor oder Arsen).Bringt man zwei verschieden dotierte Halbleiter zusammen, spricht man von einem pnbergang. Nahe der Grenzschicht werden die Majorittsladungstrger durch die Diffusi-onskraft in das jeweils andere Halbleitermaterial gezogen: die Elektronen des nKristallsstreben in den pKristall, die Defektelektronen des pKristalls umgekehrt in den nKristall. Aufgrund dieser Diffusion fehlen nun Ladungstrger in den zuvor ungelade-nen Materialien. Dies resultiert in einem elektrischen Feld, welches eine Kraft auf die

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  • Ladungstrger ausbt. Die dadurch verursachte Driftbewegung ist der durch Diffusionverursachten Bewegung entgegengerichtet. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Dif-fusion und elektrischer Feldkraft ein. Wegen der Rekombination der Ladungstrger bildetsich in beiden Kristalltypen eine Verarmungszone (Raumladungszone, Sperrschicht) aus.Betrachtet man das Bndermodell dieser Anordnung, so haben sich durch den Diffusi-onsprozess die FermiNiveaus der beiden Kristalle angeglichen und es zeigt sich eineKrmmung der Energiebnder im Bereich des pnbergangs.

    Abbildung 1: pnbergang

    Legt man eine Spannung in Sperrrichtung (+ am nKristall, am pKristall) wird dasFeld der Sperrschicht verstrkt und die Ausdehnung der Raumladungszone vergrert.Elektronen und Lcher werden von der Sperrschicht weg gezogen. Es fliet nur ein sehrgeringer Strom, erzeugt durch Minorittsladungstrger.Bei Polung in Durchlassrichtung (+ am pKristall, am nKristall) wird der Potenzial-wall abgebaut. Neue Ladungstrger flieen von der ueren Quelle auf die Sperrschichtzu und rekombinieren hier fortwhrend. Bei ausreichender angelegter Spannung flietein signifikanter elektrischer Strom.

    1.6 FllfaktorDer Fllfaktor einer Solarzelle ist der Quotient aus der maximalen Leistung am MaximumPower Point und dem Produkt aus Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom. Er ist einMa fr die Gte der Zelle: je niedriger der Fllfaktor, desto niedriger ist auch derWirkungsgrad, da am Innenwiderstand der Solarzele ein Teil der erzeugten Leistungverloren geht. Der Fllfaktor betrgt bei kristallinen Solarzellen etwa 0.75 bis 0.85.

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  • Abbildung 2: Fllfaktor

    1.7 Sinkende Leistung bei steigender TemperaturDa bei steigender Temperatur die Zellspannung sinkt, sinkt auch die Leistung P = UIentsprechend ab.

    1.8 Schwarze StrahlerUnter einem Schwarzen Strahler versteht man einen idealisierten Krper, der auf ihntreffende elektromagnetische Strahlung bei jeder Wellenlnge vollstndig absorbiert. Ersendet aufgrund seiner thermischen Energie Strahlung als thermische Emission einerbestimmten Intensitt und spektralen Verteilung aus. Sein Spektrum hngt nur vonseiner Temperatur ab, insbesondere Materialeigenschaften haben keinen Einfluss.

    Abbildung 3: Spektrum eines Schwarzen Strahlers

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  • 1.9 Wiensches VerschiebungsgesetzEinen Zusammenhang zwischen der Temperatur und der Strahlung eines SchwarzenKrpers liefert das Wiensche Verschiebungsgetz: max 1T . Je grer die Temperatur,desto kleiner ist die Wellenlnge beim Intensittsmaximum.

    1.10 Typische HalbleiterTypische Halbleitermaterialien sind u.a. Germanium, Gallium, Silizium, Bor, Selen, Tel-lur, Arsen, etc.

    1.11 BandlckeZur Bestimmung der Gre der Bandlcke, wird das Material mit Photonen unterschied-licher Energie beschossen. Durch Ermittelung der minimalen Energie, mit welcher Elek-tronen aus dem Halbleiter herausgelst werden, kann auf die GapEnergie, also auf dieGre der Bandlcke geschlossen werden.

    1.12 DiffusionslngeFreie Ladungstrger diffundieren durch den Halbleiter, bis sie durch Rekombination wie-der verschwinden. Die Diffusionslnge ist dabei die mittlere Strecke, die die Ladungstr-ger zurcklegen.

    1.13 GleichrichterwirkungLegt man eine Wechselspannung an die Halbleiterdiode an, wird nur der Teil in Durch-lassrichtung durchgelassen in Sperrrichtung wird nur ein sehr kleiner Strom durchge-lassen (fast null). Daher wirkt die Diode als Gleichrichter.

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  • 1.14 UIKennlinien

    Abbildung 4: UIKennlinien fr verschiedene Temperaturen

    1.15 PhotostromDer Photostrom ist proportional zur Oberflche der Solarzelle und zur Bestrahlungsstr-ke. Er nimmt mit der Temperatur geringfgig zu.

    1.16 LeistungLicht mit niedriger Wellenlnge besteht aus Photonen mit hherer Energie. Es werdenmehr Elektronen ausgelst und es fliet ein grerer Strom.

    1.17 EffizienzIn der Praxis wird die Effizien

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