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Experimentelle Übungen für Fortgeschrittene

Aufgaben im Institut für Materialphysik

Aufgabe 2

Eigenschaften der Brennstoffzelle

Inhaltsverzeichnis

1 Aufgabe

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2 Theoretische Voraussetzungen

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3 Literatur

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4 Physikalische Grundlagen

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5 Versuchsdurchführung und Auswertung

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6 Fragen zum Versuch 15

Stand: SS 2014 Ausgabedatum: 7 April 2014

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1 Aufgabe

Mittels Elektrolyse wird Wasser gespalten. Mithilfe von H2- und O2-Gasen wird eine Wasser-stoff-Brennstoffzelle betrieben. Die Hauptaufgabe des Versuchs liegt in der Messung von Wirkungsgraden und Strom-Spannungs-Kennlinien. Diese zeigen Vorzüge und Nachteile von Brennstoffzellen auf.

Der Versuch bietet Grundverständnisse vom Aufbau, Wirkungsprinzip und Eigenschaften von Brennstoffzellen. Die Struktur des Versuchs ist wie folgt:

1) Eine Solarzelle wird benutzt um Strom zu produzieren. 2) Mittels Strom wird im Elektrolyseur Wasser in Gase aufgespalten. 3) Die Gase betreiben eine unterschiedlich belastete Brennstoffzelle.

Weitere Brennstoffzellen, darunter eine zerlegbare, ermöglichen Messungen an Systemen mit Parallel- und Reihenschaltungen.

2 Theoretische Voraussetzungen

• Grundlagen der Thermodynamik

• Grundlagen zur Festkörperphysik

• Grundlagen der Elektrochemie

3 Literatur

[1] A. Macdonald, M. Berry: Wasserstoff: Energie für morgen, heliocentris Berlin 2000,

S. 22-47 [2] J. Larminie, A. Dicks: Fuel Cell Systems Explained, John Wiley & Sons Ltd, West

Sussex 2003, Seiten 25-119

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4 Physikalische Grundlagen

4.1 Brennstoffzellen

Energie lässt sich nicht erzeugen sondern nur aus einer Form in eine andere überführen. So lässt sich zum Beispiel potentielle Energie in Kinetische Energie umwandeln, wie es bei ei-nem Federpendel passiert. Um gespeicherte Energie freizusetzen gibt es verschiedene Ansätze die von der Form der Speicherung abhängen. In Verbrennungsmotoren wir beispielsweise chemische Energie mittels Oxidation freigesetzt. Typischerweise werden chemische Verbin-dungen wie Kohlenwasserstoffe verbrannt. Die in der Expansion freiwerdende Energie kann im Motor in Bewegung umgewandelt werden und ist somit als mechanische Energie verfüg-bar. Verbrennungsmotoren bringen jedoch einige Schwachstellen mit sich. Wie in der Ther-modynamikvorlesung erklärt besitzen Verbrennungsmotoren einen begrenzten Wirkungsgrad (Ottomotor: 15-20%). Außerdem entstehen bei der Verbrennung unerwünschte Schadstoffe und viel CO2.

In Brennstoffzellen ist es möglich einen weitaus höheren Wirkungsgrad zu erzielen als in Verbrennungsmotoren. Da eine Brennstoffzelle keine Wärmekraftmaschine ist unterliegt ihr Wirkungsgrad nicht den Beschränkungen des Carnot-Faktors. Brennstoffzellen kommen ohne bewegliche Teile aus und haben somit keine unnötigen Reibungsverluste und auch weniger Verschleißteile. Durch diese Vorteile sind Wirkungsgrade von 60-70% möglich. In einer mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzelle ist Wasser das einzige Abfallprodukt. Einige Brenn-stoffzellen werden auch mit Kohlenstoffhaltigen Brennstoffen (z.B. Alkohol) betrieben. Diese produzieren auch CO2, jedoch in einem wesentlich geringeren Maßstab als herkömmliche Verbrennungsmotoren.

Die mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzelle ist eine der einfachsten Formen. Sie besteht aus zwei Gasflussplatten, eine für Sauerstoff, eine für Wasserstoff (Abbildung 1). Dazwischen finden sich die beiden Elektroden (Anode und Kathode), welche durch eine Polymermembran getrennt sind. Die Elektroden bestehen aus porösen Kohlenstoffgeweben und nehmen das durch die Gasflussplatten gleichmäßig verteilte Gas auf. Der Wasserstoff oxidiert an der Ano-de durch Abgabe von Elektronen. Diese fließen durch den Stromkreis zur Kathode. Die Polymerelektrolytmembran (PEM; auch Proton Exchange Membrane) lässt keine Gase aber die Protonen passieren. Die Wasserstoffatome können an der Kathodenseite mit dem Sauer-stoff zu Wasser reagieren. Die Funktionsweise erinnert so an eine Batterie, jedoch kommt die chemische Energie nicht aus den Elektroden sondern aus dem Brennstoff.

Die Reaktionen an Kathode und Anode lauten wie folgt:

Anode: 2 4 4

Kathode: 4 4 2 Gesamtreaktion: 2 2 Die Zersetzung von Wasser bei der Elektrolyse geschieht ab einer Spannung von 1,23 V. Ge-nau diese Spannung liefert eine Wasserstoff-Brennstoffzelle im Maximum. Realistisch sind durch innere Widerstände und weitere Faktoren 0,6 - 0,9 V. Mehrere Brennstoffzellen in Rei-he können aber höhere Spannungen liefern.

Abbildung

4.1.1 Polymerelektrolytmembran

Die Membran-Elektroden-Einheit Polymermembran umschließen. Die Elektroden sind sehr fein mit Platin fungiert als Katalysator für die Wasserstoffoxidation und die Sauerstoffreduktion. Darüber hinaus ist Platin sehr edel und chemisch stabil. Die sehr feine Platinverteilung hält den Preis einer Brennstoffzelle niedrig da die Produktionsktin abhängen. Die Elektrolytmembran besteht aus dem Polymer Nafion. Dieses wurde Ender 1980er Jahre von der Firma DuPontPolymer. Die Rolle dieser Membran ist es

Abbildung 4 zeigt die Struktur von Nafion.

Abbildung

Abbildung 1 Funktionsprinzip einer Wasserstoff-Brennstoffzelle

Polymerelektrolytmembran

Einheit besteht aus den porösen Kohlenstoffmatten welche die Polymermembran umschließen. Die Elektroden sind sehr fein mit Platin fungiert als Katalysator für die Wasserstoffoxidation und die Sauerstoffreduktion. Darüber hinaus ist Platin sehr edel und chemisch stabil. Die sehr feine Platinverteilung hält den Preis einer Brennstoffzelle niedrig da die Produktionskosten stark von der verwendeten Menge Pltin abhängen. Die Elektrolytmembran besteht aus dem Polymer Nafion. Dieses wurde Ender 1980er Jahre von der Firma DuPont entwickelt. Nafion ist ein auf Teflon basierendes Polymer. Die Rolle dieser Membran ist es Protonen zu leiten ohne Gase passieren zu lassen.

zeigt die Struktur von Nafion.

Abbildung 2 Strukturformel des Nafion Polymers

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besteht aus den porösen Kohlenstoffmatten welche die Polymermembran umschließen. Die Elektroden sind sehr fein mit Platin beschichtet. Platin fungiert als Katalysator für die Wasserstoffoxidation und die Sauerstoffreduktion. Darüber hinaus ist Platin sehr edel und chemisch stabil. Die sehr feine Platinverteilung hält den Preis

osten stark von der verwendeten Menge Pla-tin abhängen. Die Elektrolytmembran besteht aus dem Polymer Nafion. Dieses wurde Ende

. Nafion ist ein auf Teflon basierendes Protonen zu leiten ohne Gase passieren zu lassen.

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4.1.2 Weiter Brennstoffzellentypen Brennstoffzelle Elektrolyt Anoden-

Brennstoff Kathodengas Betriebs-

temperatur Anwendungen

Alkalische

Brennstoffzelle

(AFC)

Kaliumhydroxidlösung

Wasserstoff Sauerstoff 60 – 90 °C Raumfahrt, U-Boote

Polymerelektroly

tmembran-

Brennstoffzelle

(PEMFC)

Protonenleitender Polymerelektrolyt

Wasserstoff Sauerstoff aus der Luft

60 – 90 °C Fahrzeuge, stati-onäre Kraftwer-ke, tragbare Stromversorgung

Direkt-

Methanol-

Brennstoffzelle

(DMFC)

Protonenleitender Polymerelektrolyt

Methanol Sauerstoff aus der Luft

90 – 120 °C Fahrzeuge, trag-bare Stromver-sorgung

Phosphorsaure

Brennstoffzelle

(PAFC)

Phosphorsäure Wasserstoff Sauerstoff aus der Luft

200 °C stationäre Kraft-werke

Geschmolzene-

Carbonat-

Brennstoffzelle

(MCFC)

Geschmolzene Alkalicarbonate

Wasserstoff, Erdgas oder Kohlegas

Sauerstoff aus der Luft

650 °C stationäre Kraft-werke

Festoxid-

Brennstoffzelle

(SOFC)

Keramischer Festelektrolyt

Wasserstoff, Erdgas oder Kohlegas

Sauerstoff aus der Luft

800 – 1000 °C stationäre Kraft-werke

4.1.3 Optimierung des Wirkungsgrades Der Wirkungsgrad einer Maschine ist das Verhältnis aus erzeugter Energie und der im Brenn-stoff enthaltenen Energie. Im Fall einer Wasserstoff-Brennstoffzelle ist die Energie im ver-brauchten Wasserstoff enthalten. Die erzeugte Energie ist die elektrische Energie. Der Wir-kungsgrad einer Brennstoffzelle kann durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden.

1. Die Gase müssen möglichst über die gesamte Oberfläche der MEE verteilt werden. 2. Elektrolyt und Elektroden müssen möglichst engen Kontakt miteinander haben. 3. Gase dürfen durch die Elektrolytschicht nicht durchgelassen werden. 4. Membran und Elektroden müssen Ladungsträger möglichst gut leiten. 5. Die Oberfläche des Katalysators muss groß gegen die Masse sein, also möglichst klei-

ne Platinpartikel. 6. An der Sauerstoffseite muss das Wasser entfernt werden um den Sauerstoffzufluss

nicht zu hindern. 4.1.4 Die Spannungs-Strom-Kurve einer Brennstoffzelle

Abbildung 3 zeigt die Spannungs-Strom-Kurve einer Brennstoffzelle. Für Spannungsverluste zeigen sich verschiedene Effekte verantwortlich. Wie oben erwähnt ist die maximale Span-nung einer Brennstoffzelle bei 1,23 V. Die Spannungsdifferenz zwischen der maximalen und der echten Spannung wird als Überspannung bezeichnet.

Die Durchtritts-Überspannung entsteht durch steigenden Strom. Die Geschwindigkeit mit der die Elektronen vom Gas in die Katalysatoren gelangen beschränkt den Strom und ist somit Ursache für die Ladungsdurchtrittsüberspannung.

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Bei hohem Strom wird die Überspannung durch die Diffusion der Gase bestimmt. Werden diese am Katalysator schneller verbraucht als sie durch die porösen Elektroden gelangen sinkt die Spannung, was sich auch an der abknickenden Spannungskurve erkennen lässt.

Wie jedes elektrisch UD e Bauteil bringt eine Brennstoffzelle einen inneren Widerstand mit. Dies trifft auf die Protonenleiter wie die Elektronenleiter zu. Mit zunehmendem Strom sinkt die Spannung linear.

Abbildung 3 Spannungs-Strom-Kurve einer Brennstoffzelle

4.2 Elektrolyse Zum Betrieb der Brennstoffzelle wird Wasserstoff benötigt, der mit Hilfe der Elektrolyse her-gestellt wird. Die Elektrolyse ist ein Prozess, bei dem elektrischer Strom benutzt wird um chemische Ände-rungen in einer Substanz herbeizuführen. Es wird also elektrische Energie in chemische Ener-gie umgewandelt. Taucht man zwei Elektroden in einen Elektrolyten und legt eine hinreichend große Gleich-spannung an so fließt ein Strom. Innerhalb des Elektrolyten wird der Strom durch Ionen (im Gegensatz zu Elektronen in metallischen Leitern) übertragen. Somit ist das Vorhandensein von beweglichen Ionen Voraussetzung für die Elektrolyse. Positiv geladene Ionen wandern zur Kathode, nehmen dort Elektronen auf und werden somit neutralisiert, wohingegen negativ geladene Ionen zu Anode wandern und dort Elektronen abgeben. Die nun neutralen Atome oder Moleküle können an den Elektroden ausfallen, als Gas entweichen oder an weiteren Re-aktionen teilnehmen. Beispiel: Löst man Kochsalz (NaCl) in Wasser, dissoziiert es in Na+ und Cl- Ionen. Die nega-tiv geladenen Cl- Ionen wandern zur positiv geladenen Anode und geben dort ein Elektron ab. Die Na+ Ionen wandern zur negativ geladenen Kathode und nehmen dort ein Elektron auf. Es finden also folgende Reaktionen statt:

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Anode:

Kathode:

Die einzelnen Chloratome verbinden sich zu Cl2 und steigen als Gas an der Elektrode auf. Das Na hingegen bildet mit OH- Ionen NaOH. Die OH- Ionen stammen aus der immer in gewissen Maßen stattfindenden Autoprotolyse des Wassers:

0

Das übrig bleibende H+ bildet H2. Somit steigt an der Kathode Wasserstoff auf. 4.2.1 Elektrolyse von Wasser Reines Wasser kann mit Hilfe der konventionellen Elektrolyse nicht aufgespalten werden. Der Grund dafür ist, dass zwar ein Teil des Wassers dissoziiert vorliegt, also als OH- und H+ Io-nen, aber deren Konzentration so gering ist, sodass Wasser kaum leitfähig ist und somit keine Stromleitung stattfinden kann. Um dennoch Wasserstoff aus Wasser zu gewinnen, kann man verdünnte wässrige Säuren oder Laugen verwenden. Dass bei Verwendung dieser Elektroly-ten nur Wasserstoff und Sauerstoff entstehen, liegt daran, dass die meisten Säuren und Laugen zwar Ionen bilden und damit Strom leiten, diese Ionen jedoch selbst chemisch inert sind. Sie reagieren also nicht an mit der Kathode oder Anode. Wichtig bei allen Verwahren der Elekt-rolyse von Wasser ist den entstehenden Sauerstoff und Wasserstoff räumlich voneinander zu trennen. Dazu wird ein sogenanntes Diaphragma verwendet, welches zwar die Ionen zur Stromleitung hindurchlässt, Sauerstoff und Wasserstoff aber nicht. Eine weitere Methode ist die Verwendung von Polymerelektrolytmembranen (PEM), wie sie auch in diesem Versuch verwendet wird. Abbildung 4 zeigt den Aufbau einer Membran-Elektroden-Einheit. Es finden folgende Reaktionen statt:

Anode: 2 4 4

Kathode: 2 2

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Abbildung 4: Polymerelektrolytmembran-Elektrolyseur-Aufbau

4.2.2 Kennlinie der Elektrolyse Wird die Elektrolyse gestartet und die Spannung langsam erhöht, misst man erst ab einer ge-wissen Spannung einen Strom. Diejenige Spannung ab der der Strom deutlich ansteigt nennt man Zersetzungsspannung. Sie beträgt theoretisch für Wasser 1,23V. Dieser Wert ergibt sich aus der elektrochemische Spannungsreihe.

Abbildung 5: Spannungs-Strom-Kennlinie bei der Elektrolyse

Im Experiment werden höhere Zersetzungsspannungen gemessen. Die Differenz zwischen tatsächlicher Zersetzungsspannung und theoretischer Zersetzungsspannung nennt man Über-

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spannung. Sie kann verschiedene Ursachen haben, wie zum Beispiel Art und Konzentration der Ionen, Elektrodenmaterial oder ihre Oberflächenbeschaffenheit. 4.2.3 Wirkungsgrad Der Faraday-Wirkungsgrad ηFaraday ist das Verhältnis zwischen der erzeugten Menge Wasser-stoff und der theoretisch zu erwartenden Menge Wasserstoff. Letzteres lässt sich über das Faraday-Gesetz berechnen, welches sagt, dass, um eine Stoffmenge n eines Stoffes elektroly-tisch abzuscheiden, man eine Ladung von

benötigt. Dabei ist z die Ladungszahl des verwendeten Ions und F die Faraday Konstante. Der energetische Wirkungsgrad η ist das Verhältnis von gewonnener chemischer Energie zur aufgewendeten elektrischen Energie.

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Die chemische Energie entspricht dem Brennwert des erzeugten Wasserstoffs. 4.3 Solarzelle Die Solarzelle ist ein elektrisches Bauteil, welches aus Licht elektrischen Strom erzeugt. Der zugrunde liegende physikalische Effekt ist der photovoltaische Effekt. Dieser besagt, dass unter bestimmten Voraussetzungen durch die Absorption von Licht in einem Halbleiter eine Spannung aufgebaut wird. Eine Solarzelle besteht im Wesentlichen aus einem pn-Übergang, das heißt aus einer p-dotierten und einer n-dotierten Halbleiterschicht. p- bzw. n-dotiert be-deutet, dass im Ausgangsmaterial Atome durch Atome mit weniger Valenzelektronen (p-Dotierung) oder mehr Valenzelektronen (n-Dotierung) ersetzt werden. So werden Silizium-Halbleiter (Silizium ist IV-wertig) beispielsweise mit Bor-Atomen (III-wertig) und Phosphor-Atomen (V-wertig) dotiert. In diesem Fall dienen die Bor-Atome als Elektronen-Akzeptoren, das heißt sie nehmen ein Elektron auf, was zu einem Loch im Valenzband führt. Die Phos-phor-Atome sind Elektron-Donatoren, sie geben ein Elektron in das Leitungsband ab. 4.3.1 pn-Übergang Bringt man einen n-dotierten und einen p-dotierten Halbleiter in Kontakt, findet aufgrund der unterschiedlichen Konzentrationen eine Diffusion der Ladungsträger statt. Die überschüssigen Elektronen auf der n-dotierten Seite wandern in Richtung der p-Dotierung und anders herum. Durch die zurückbleibenden Atomrümpfe bildet sich auf der n-dotierten Seite eine positive Raumladung und auf der p-dotierten Seite eine negative Raumladung aus. Der Bereich des so entstandenen elektrischen Feldes wird Raumladungszone genannt. Das Feld wirkt der weite-ren Diffusion entgegen und es stellt sich ein thermodynamisches Gleichgewicht ein.

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4.3.2 Die Solarzelle Wird die Solarzelle beleuchtet so werden durch Absorption von Licht Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband gehoben und es entstehen Elektron-Loch-Paare. Diese dif-fundieren durch das Material bis sie die Raumladungszone erreichen. Dort findet aufgrund des elektrischen Feldes eine Ladungstrennung statt. Dadurch entsteht ein zusätzlicher Driftstrom (Photostrom –Iph mit Iph > 0) von Elektronen in den Bereich der positiven Raumladung und von Löchern in den Bereich der negativen Raumladung. So werden der p-Bereich positiv und der n-Bereich negativ aufgeladen. Die daraus resultierende Spannung kann dann über Kontak-te abgeführt werden (Abbildung 6 a)). Die Kennlinie (Abbildung 6 b)) einer Solarzelle entspricht im Wesentlichen der einer Diode, wobei der zusätzliche Photostrom Iph berücksichtigt wird.

) )* +,- . /0123 4 16 4 )7

Abbildung 6 a) pn-Übergang unter Beleuchtung: Die photogenerierten Minoritätsladungsträger diffundieren zu-

nächst zur Raumladungszone und werden dort durch das elektrische Feld getrennt. b) Strom-Spannungs-Charakteristik einer Solarzelle. Die Kennlinie ergibt sich aus der Summe von Diodenstrom I und Photostrom Iph

(negatives Vorzeichen!)

Für die Energiegewinnung ist derjenige Bereich von Interesse, in dem die Spannung positiv und der Strom negativ ist, also dem vierten Quadranten (Abbildung 7).

Abbildung 7 Der für die Energieproduktion relevante Bereich der Kennlinie liegt im 4. Quadranten. Die maximale

Leistung kann der Zelle bei einer Spannung Umpp (MPP = Maximum Power Point) entnommen werden.

In Abbildung 7 ist die Kennlinie einer Solarzelle gezeigt. Hier steht Istrom und Uoc für Leerlaufspannung. Der Kurzschlussstrom ist proportional zum Photostrom –Iph der Solarzelle. Der Wirkungsgrad der Solarzelle gibt das Verhältnis von zugeführter Strahlungsenergie zur elektrischen Energie:

5 Versuchsdurchführung und Auswertung Spülen der Brennstoffzelle und Speichern des Wasserstoffes

Abbildung 8 Aufbau zum Spülen der Brennstoffzelle

Abbildung 9 Verschließen der Schläuche mit Verschlusss

Vor einigen Versuchsteilen, in denen die Brennstoffzelle verwendet wird, muss der Aufbau gespült werden und die erzeugten Gase gespeichert werden.

ist die Kennlinie einer Solarzelle gezeigt. Hier steht Isc für den Kurzschlusfür Leerlaufspannung. Der Kurzschlussstrom ist proportional zum Photostrom

ngsgrad der Solarzelle gibt das Verhältnis von zugeführter Strahlungsenergie zur

Versuchsdurchführung und Auswertung

Spülen der Brennstoffzelle und Speichern des Wasserstoffes

Aufbau zum Spülen der Brennstoffzelle

Verschließen der Schläuche mit Verschlussstopfen zum Speichern der Gase

Vor einigen Versuchsteilen, in denen die Brennstoffzelle verwendet wird, muss der Aufbau gespült werden und die erzeugten Gase gespeichert werden. Achten Sie darauf, dass der Wa

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für den Kurzschluss-für Leerlaufspannung. Der Kurzschlussstrom ist proportional zum Photostrom

ngsgrad der Solarzelle gibt das Verhältnis von zugeführter Strahlungsenergie zur

topfen zum Speichern der Gase

Vor einigen Versuchsteilen, in denen die Brennstoffzelle verwendet wird, muss der Aufbau Achten Sie darauf, dass der Was-

serspeicher bis zur 0ml Marke gefüllt ist und stzunächst auf OFFEN. Der Solarstrom am Elektrolyseur sollte Spülen Sie 5min das System mit den erzeugten Gasen und stellen Sie anschließend den Schater an der Verbrauchermessbox auf Sie wiederum für 3min (Schalter auf OFFEN). Unterbrechen Sie kurzzeitig die Stromversogung des Elektrolyseurs und schließen Sie die beiden kurzen Schläuche mit Verschlussstopfen an die Brennstoffzelle an. Stellen Sie die Stromversorgung wieder her und speichern Sie die erzeugten Gase bis auf der Wasserstoffseite die 5Elektrolyse. Aufgaben:

1. Kennlinie Elektrolyseur

Abbildung 10 Versuchsaufbau zum Messen der Kennlinie des Elektrolyseurs und dessen Wikungsgrads

• Messen Sie die Kennlinie des Elektrolyseurs. Bauen Sie dazu die Anordnung nach Abbildung bis zur 0ml Markierung. Stellen Sie den Wahlschalter der Verbrauchermessbox auf Kurzschluss. Variieren Sie nun den Solarmodulstrom und messen die Spannung am Elektrolyseur

• Zeichnen Sie die Stromzungsspannung des Wassers.

2. Wirkungsgrad des Elektrolyseurs

• Bauen Sie die Anordnung nach

Wassertanks bis zur 0ml Marke gefüllt sind. Verschließen Sie die Wasserstofseite des Tanks mit einem Verschlussstopfen. Stellen Sie einen Elektrolysstrom von ca. 250mA bis 300mA ein. Messen Sie die Spannung und das en

bis zur 0ml Marke gefüllt ist und stellen Sie den Schalter der Verbrauchermessbox zunächst auf OFFEN. Der Solarstrom am Elektrolyseur sollte mindestens 1Spülen Sie 5min das System mit den erzeugten Gasen und stellen Sie anschließend den Schater an der Verbrauchermessbox auf 3Ω. Nun sollten Sie einen Strom messen können. Spülen Sie wiederum für 3min (Schalter auf OFFEN). Unterbrechen Sie kurzzeitig die Stromversogung des Elektrolyseurs und schließen Sie die beiden kurzen Schläuche mit Verschlussstopfen

an. Stellen Sie die Stromversorgung wieder her und speichern Sie die s auf der Wasserstoffseite die 50ml Marke erreicht ist. Stoppen Sie die

Kennlinie Elektrolyseur

Versuchsaufbau zum Messen der Kennlinie des Elektrolyseurs und dessen Wi

Messen Sie die Kennlinie des Elektrolyseurs. Bauen Sie dazu die Anordnung Abbildung 10 auf und füllen Sie den Wasserspeicher des Elektrolyseurs

bis zur 0ml Markierung. Stellen Sie den Wahlschalter der Verbrauchermessbox auf Kurzschluss. Variieren Sie nun den Solarmodulstrom und messen die Spannung am Elektrolyseur (10 Messwerte).

Zeichnen Sie die Strom-Spannungskennlinie und bestimmen Sie die Zersezungsspannung des Wassers.

Wirkungsgrad des Elektrolyseurs

Bauen Sie die Anordnung nach Abbildung 10 auf. Stellen Sie sicher, dass die Wassertanks bis zur 0ml Marke gefüllt sind. Verschließen Sie die Wasserstofseite des Tanks mit einem Verschlussstopfen. Stellen Sie einen Elektrolys

on ca. 250mA bis 300mA ein. Messen Sie die Spannung und das en

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ellen Sie den Schalter der Verbrauchermessbox 150mA betragen.

Spülen Sie 5min das System mit den erzeugten Gasen und stellen Sie anschließend den Schal-. Nun sollten Sie einen Strom messen können. Spülen

Sie wiederum für 3min (Schalter auf OFFEN). Unterbrechen Sie kurzzeitig die Stromversor-gung des Elektrolyseurs und schließen Sie die beiden kurzen Schläuche mit Verschlussstopfen

an. Stellen Sie die Stromversorgung wieder her und speichern Sie die 0ml Marke erreicht ist. Stoppen Sie die

Versuchsaufbau zum Messen der Kennlinie des Elektrolyseurs und dessen Wir-

Messen Sie die Kennlinie des Elektrolyseurs. Bauen Sie dazu die Anordnung auf und füllen Sie den Wasserspeicher des Elektrolyseurs

bis zur 0ml Markierung. Stellen Sie den Wahlschalter der Verbrauchermessbox auf Kurzschluss. Variieren Sie nun den Solarmodulstrom und messen die

Spannungskennlinie und bestimmen Sie die Zerset-

auf. Stellen Sie sicher, dass die Wassertanks bis zur 0ml Marke gefüllt sind. Verschließen Sie die Wasserstoff-seite des Tanks mit einem Verschlussstopfen. Stellen Sie einen Elektrolyse-

on ca. 250mA bis 300mA ein. Messen Sie die Spannung und das ent-

standene Wasserstoffvolumen bei vorgegebener Zeit (180s). Führen Sie diese Messung dreimal durch.

• Berechnen Sie den Faraday

Elektrolyseurs. • Berechnen Sie ebenfalls die Avogadro

3. Kennlinie der Brennstoffzelle

Abbildung Wirkungsgrads

• Spülen Sie die Bre• Bauen Sie die Anordnung

nun die Kennlinie der Brendern. Nach Beendigung der Messung entfernen Sie die Verschlussstopfen und stellen Sie die Messbox auf OFFEN.

• Zeichnen Sie die U

4. Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle

• Spülen Sie die Brennstoffzelle und speichern Sie den Wasserstoff. Wenn Sie 10ml Wasserstoff gespeichert haben, ist eine Nullmessung zur Bestimmung der Leckrate des Systems durchzuführen. Messen Sie dazu den Verlust an Wassestoff in 5min ohne Last an der B

• Füllen Sie den Wasserstoffspeicher erneut auf schließend die Stromversorgung des Elektrolyseurs. Schließen Sie das Voltmter an die Brennstoffzelle an Widerstand von 3Brennstoffzelle in 180s verbraucht. Messen Sie zusätzlich den StroSpannung. Wiederholen Sie die Messung dreimal.

standene Wasserstoffvolumen bei vorgegebener Zeit (180s). Führen Sie diese Messung dreimal durch.

Berechnen Sie den Faraday-Wirkungsgrad und den Energiewirkungsgrad des Elektrolyseurs.

hnen Sie ebenfalls die Avogadro-Konstanten aus Ihren Messungen.

Kennlinie der Brennstoffzelle

Abbildung 11 Versuchsaufbau zur Messung der Kennlinie der BrennstoffzelleWirkungsgrads

Spülen Sie die Brennstoffzelle und speichern Sie 50ml Wasserstoff.Bauen Sie die Anordnung so um, dass sie Abbildung 11 entsprichtnun die Kennlinie der Brennstoffzelle, in dem Sie den Messwiderstand verädern. Nach Beendigung der Messung entfernen Sie die Verschlussstopfen und stellen Sie die Messbox auf OFFEN.

Zeichnen Sie die U-I-Kennlinie der Brennstoffzelle.

Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle

Spülen Sie die Brennstoffzelle und speichern Sie den Wasserstoff. Wenn Sie 10ml Wasserstoff gespeichert haben, ist eine Nullmessung zur Bestimmung der Leckrate des Systems durchzuführen. Messen Sie dazu den Verlust an Wassestoff in 5min ohne Last an der Brennstoffzelle (Schalterstellung OFFEN).Füllen Sie den Wasserstoffspeicher erneut auf 50ml und unterbrechen Sie aschließend die Stromversorgung des Elektrolyseurs. Schließen Sie das Voltmter an die Brennstoffzelle an (entsprechend Abbildung 11)und stellen Sie einen Widerstand von 3Ω ein. Messen Sie das Volumen an Wasserstoff, was die Brennstoffzelle in 180s verbraucht. Messen Sie zusätzlich den StroSpannung. Wiederholen Sie die Messung dreimal.

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standene Wasserstoffvolumen bei vorgegebener Zeit (180s). Führen Sie diese

Wirkungsgrad und den Energiewirkungsgrad des

en Messungen.

Versuchsaufbau zur Messung der Kennlinie der Brennstoffzelle und des

0ml Wasserstoff. entspricht. Messen Sie

nstoffzelle, in dem Sie den Messwiderstand verän-dern. Nach Beendigung der Messung entfernen Sie die Verschlussstopfen und

Spülen Sie die Brennstoffzelle und speichern Sie den Wasserstoff. Wenn Sie 10ml Wasserstoff gespeichert haben, ist eine Nullmessung zur Bestimmung der Leckrate des Systems durchzuführen. Messen Sie dazu den Verlust an Wasser-

rennstoffzelle (Schalterstellung OFFEN). 0ml und unterbrechen Sie an-

schließend die Stromversorgung des Elektrolyseurs. Schließen Sie das Voltme-und stellen Sie einen

ein. Messen Sie das Volumen an Wasserstoff, was die Brennstoffzelle in 180s verbraucht. Messen Sie zusätzlich den Strom und die

• Bestimmen sie den Faraday

le.

5. Reihen- und Parallelschaltung von Brennstoffzellen

Abbildung 12 Aufbau zur Messung der Kennlinie von zwei parallelgeschalteten Brennstoffzellen

Abbildung 13 Aufbau zur Messung der Kennlinie von zwei in Reihe geschalteten Brennstoffzellen

• Spülen Sie die Brennstoffzellen• Messen Sie jeweils die Kennlinie der Brennstoffzelle in Parallel

henschaltung.

• Zeichnen Sie die Kennlinie und interpretieren Sie die Ergebnisse.

6. Zerlegbare Brennstoffzelle; Einfluss des Innenwiderstands; gung; Gaszufuhr

• Spülen Sie die Brennstoffzelle und speichern Sie Wasserstoff vor jeder Mesung.

Bestimmen sie den Faraday- und den Energiewirkungsgrad der Brennstoffze

und Parallelschaltung von Brennstoffzellen

Aufbau zur Messung der Kennlinie von zwei parallelgeschalteten Brennstoffzellen

Aufbau zur Messung der Kennlinie von zwei in Reihe geschalteten Brennstoffzellen

Spülen Sie die Brennstoffzellen und speichern Sie Wasserstoff. Messen Sie jeweils die Kennlinie der Brennstoffzelle in Parallel

Zeichnen Sie die Kennlinie und interpretieren Sie die Ergebnisse.

Zerlegbare Brennstoffzelle; Einfluss des Innenwiderstands; Katalysatorbel

Spülen Sie die Brennstoffzelle und speichern Sie Wasserstoff vor jeder Me

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und den Energiewirkungsgrad der Brennstoffzel-

Aufbau zur Messung der Kennlinie von zwei parallelgeschalteten Brennstoffzellen

Aufbau zur Messung der Kennlinie von zwei in Reihe geschalteten Brennstoffzellen

und speichern Sie Wasserstoff. Messen Sie jeweils die Kennlinie der Brennstoffzelle in Parallel- und in Rei-

Zeichnen Sie die Kennlinie und interpretieren Sie die Ergebnisse.

Katalysatorbele-

Spülen Sie die Brennstoffzelle und speichern Sie Wasserstoff vor jeder Mes-

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• Nehmen Sie die Kennlinie der zerlegbaren Brennstoffzelle auf. Gehen Sie dazu wie oben beschrieben vor. Messen Sie außerdem die Kennlinie der Brennstoff-zelle mit dem zusätzlichen Widerstand.

• Um den Einfluss der Gaszufuhr auf die Kennlinie der Brennstoffzelle zu unter-suchen, nehmen Sie die Kennlinie bei Betrieb mit Luftsauerstoff einmal mit der Sauerstoffendplatte und einmal mit der Endplatte mit den Luftschlitzen auf. (Warten Sie vor Aufnahme der einzelnen Messpunkte ca. 2min.)

• Tauschen Sie in der Brennstoffzelle die Membran mit 0,3mg/m³ Katalysatorbe-legung durch die Membran mit 0,1mg/m³ Katalysatorbelegung und messen Sie erneut die Kennlinie.

(Bei allen Umbauten ist unbedingt die Aufbauanleitung zu beachten!)

• Zeichen Sie die Kennlinien in ein U-I-Diagramm und diskutieren Sie sie.

6 Fragen (zur Vorbereitung)

• Welche Probleme entstehen beim Spalten von destilliertem Wasser bei der konventio-nellen Elektrolyse und wie werden diese umgangen?

• Wodurch wird der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle beschränkt? • Wieso unterliegt der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle nicht denselben Einschrän-

kungen wie der einer Wärmekraftmaschine? • Wie ist der Wirkungsgrad eines Systems aus Solarzelle, Elektrolyseur und Brennstoff-

zelle und welche Faktoren beschränken ihn?