Brennstoffzellen-Praktikum_V3.doc

Robert-Bosch-Gymnasium NWT Klassenstufe 10 Versuch 1

Regenerative Energien: Brennstoffzelle

© Albert Pfänder, 22.4.2014

Brennstoffzellen-Praktikum, Versuch 3 – Wirkungsgrad der Brennstoffzelle Versuchszweck Beim vorliegenden Versuch soll der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ermittelt werden. Dies kann auf zwei Arten geschehen: man kann den Faraday-Wirkungsgrad bestimmen, also untersuchen, ob tatsächlich so viel Wasserstoffgas verbraucht wurde, wie die geflossene elektrische Ladung erwarten lässt oder aber man untersucht den Energiewirkungsgrad, welcher angibt, wie viel elektrische Energie in der Brennstoffzelle relativ zur eingesetzten chemischen Energie (des „verbrannten“ Wasserstoffs) umgesetzt wurde. Die beiden Wirkungsgrade ergeben sich aus demselben Experiment, nur das Ziel der Auswertung ist jeweils ein anderes. In jedem Fall betreibt man die Brennstoffzelle eine definierte Zeit lang und misst dabei sowohl das Volumen des verbrauchten Wasserstoffes als auch Strom, Spannung und Betriebsdauer der Zelle.

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

Brennstoffzellen-Praktikum_V3.doc

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

Brennstoffzellen-Praktikum_V3.doc

Wirkungsgrad 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- und Spannungsmessung) Belastungswiderstand in Messbox (3Ω)

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

Brennstoffzellen-Praktikum_V3.doc

Mit der Brennstoffzelle als Quelle wird nun ein Stromkreis aufgebaut (siehe Bild rechts), in dem in Serie der Belastungswiderstand mit 3 Ω (Messbox!) und ein Amperemeter angeschlossen werden. Direkt parallel zur Brennstoffzelle wird ein Voltmeter angeschlossen.

Brennstoffzelle

Durchführung

R

Bestimmung der Leck-Rate

I

U

Zunächst wird untersucht, wie viel Wasserstoffgas unabhängig vom Verbrauch durch die Brennstoffzelle durch Leckage verloren gehen.

Dazu 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. Die Gasauslässe des Elektrolyseurs sind die ganze Zeit mit den Gaseinlässen der Brennstoffzelle verbunden; die Gasauslässe der Brennstoffzelle sind verschlossen (Schläuche mit Stopfen schließen). Ist der Gasspeicher für Wasserstoff bis zur 10 ml-Marke gefüllt, so trennt man die Stromquelle ab. Die Brennstoffzelle ist im Leerlauf, d. h. es ist kein Verbraucherwiderstand angeschlossen. Man wartet nun 3 Minuten (180 s) und misst anschließend, um wie viele ml sich das Wasserstoffvolumen vermindert hat. Die LeckRate ist sehr gering.

Eigentliches Experiment zur Wirkungsgradbestimmung Jetzt füllt man den Wasserstoffspeicher des Elektrolyseurs wieder bis zur 10 ml-Marke auf. Danach trennt man seine Stromversorgung ab, schließt an der Brennstoffzelle den 3 Ω -Widerstand an und misst Spannung und Stromstärke im Verbraucherkreis. Direkt beim Anschließen des Widerstandes startet man auch die Zeitmessung. Während der Messung kontrolliert man immer wieder Spannung und Stromstärke, so dass man einen Mittelwert für diese Werte während der Betriebsdauer angeben kann. Nach 180 s bricht man den Versuch ab, d.h. man öffnet den Verbraucherkreis. Nun liest man ab, wie viele ml Wasserstoffgas verbraucht wurden. Aus diesem Verbrauch und der Leck-Rate kann man ermitteln, welches Wasserstoffvolumen in den 3 min tatsächlich in der Brennstoffzelle umgesetzt wurde.

Auswertung Hinweis: zur Berechnung des Normvolumens eines Gases benötigt man die Normtemperatur (Tn = 0 °C = 273,15 K) und den Normdruck (pn = 101 325 Pa = 1013,25 hPa). Um das tatsächlich gemessene Volumen bei NichtNormbedingungen in Normbedingungen umzurechnen, benutzt man die allgemeine Zustandsgleichung idealer Gase:

p⋅V / T = pn⋅Vn / Tn Dieses Volumen bei Normbedingungen ist für die weiteren Berechnungen zu benutzen!

Seite 4 von 5

Brennstoffzellen-Praktikum_V3.doc

Faraday-Wirkungsgrad: Aus der Stromstärke während der Betriebsdauer der Brennstoffzelle und dieser Betriebsdauer bestimmt man die geflossene Ladung. Pro Wasserstoffmolekül müssen 2 Elektronen (also eine Ladung von 2⋅1,6⋅10-19 C) geflossen sein. Also kann man errechnen, welches Gasvolumen an Wasserstoff hätte verbraucht werden müssen. Dieses Volumen setzt man mit dem tatsächlichen Volumen (Leck-Rate berücksichtigen!) ins Verhältnis; der FaradayWirkungsgrad ist:

η = Vtheoretisch / Vtatsächlich Energie-Wirkungsgrad: Aus dem tatsächlich verbrauchten Wasserstoffvolumen (Leck-Rate berücksichtigen!) kann man die bei der Oxidation zu Wasser freiwerdende Energie berechnen. Bei Raumtemperatur und Normdruck beträgt die molare Reaktionsenthalpie - 286 kJ/mol. Berechne zunächst aus dem tatsächlich verbrauchten Wasserstoff-Volumen (bei Normbedingungen) die Stoffmenge an Wasserstoff ( n = V /Vmol mit Vmol = 22,4 l/mol bei Normbedingungen) und mit der Reaktionsenthalpie dann die theoretisch freiwerdende Energie Wtheoretisch. Berechne andererseits die freigewordene elektrische Energie aus der Stromstärke, der Spannung und der Betriebsdauer (Wtatsächlich = U⋅I⋅t). Berechne dann den Energiewirkungsgrad:

η = Wtheoretisch / Wtatsächlich Zum Schluss ist eine Größtfehlerberechnung durchzuführen. Die Messergebnisse sind zu diskutieren.

Seite 5 von 5