V - Fuel Cell Markets

h-tec
Schülerexperimente
Brennstoffzelle
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Inhaltsverzeichnis
1. Schülerexperimente .............................................................................2
1.1. Versuche mit Solarmodulen ...........................................................2
1.1.1. Strom-Spannungs-Kennlinie, Leistungskurve und
Wirkungsgrad eines Solarmoduls ..........................................2
1.2. Versuche mit dem PEM-Elektrolyseur..........................................10
1.2.1. Die Strom-Spannungs-Kennlinie des PEM-Elektrolyseurs ..10
1.2.2. Energetischer Wirkungsgrad und faradayscher
Wirkungsgrad des PEM-Elektrolyseurs................................14
1.3. Versuche mit der PEM-Brennstoffzelle ........................................21
1.3.1. Die Strom-Spannungs-Kennlinie und die Leistungskurve
der PEM-Brennstoffzelle ......................................................21
1.3.2. Energetischer Wirkungsgrad und faradayscher
Wirkungsgrad der PEM-Brennstoffzelle ...............................25
1.4. Versuche mit der Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) ..........32
1.4.1. Die Strom-Spannungs-Kennlinie der DirektmethanolBrennstoffzelle .....................................................................32
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1. Schülerexperimente
1.1. Versuche mit Solarmodulen
Einzelne Solarzellen werden für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche miteinander zu Modulen verschaltet, um höhere Spannungen,
bzw. Leistungen zu erzielen.
In einer Reihenschaltung addieren sich die Spannungen, in einer
Parallelschaltung addieren sich die Ströme.
1.1.1. Strom-Spannungs-Kennlinie, Leistungskurve und
Wirkungsgrad eines Solarmoduls
Lesen Sie vor Beginn des Versuchs die Sicherheitshinweise in der
Bedienungsanleitung!
Hintergrund:
Die Strom-Spannungs-Kennlinie gibt Aufschluss über das Leistungsverhalten des Solarmoduls. Aus der Strom-Spannungs-Kennlinie sowie
aus der Leistungskurve erhält man den Punkt maximaler Leistung, den
sogenannten Maximum Power Point (MPP).
Der Wirkungsgrad des Solarmoduls gibt an, wie viel der eingestrahlten
Energie von dem Solarmodul in elektrische Energie umgewandelt wird.
Paus
elektrisch abgegebene Leistung
Wirkungsgrad η =
=
Pein
eingestrahlte Leistung
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Dieser Versuch benötigt:
- Solarmodul
- ggf. Leuchte für den Betrieb des Solarmoduls
- 2 Multimeter
- Widerstandsdekade, Set mit verschiedenen Widerständen oder
Potentiometer
- Gerät für die Ermittlung der Strahlungsleistung des Lichts:
a) Messgerät für die direkte Messung der Strahlungsleistung des
Lichts, z.B. Solarimeter
b) alternativ: Die Strahlungsleistung des Lichts wird über den
Kurzschlussstrom des Solarmoduls bestimmt.
Versuchsaufbau:
Bauen Sie die Schaltung nach folgendem Schaltbild auf.
Messbereich
20 V=
Messbereich
10 A= bzw. 20 A=
Figur 1.1.1.a: Aufbau zur Ermittlung der Kennlinien
eines Solarmoduls
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Figur 1.1.1.b: Beispielhafter Versuchsaufbau zur Ermittlung der
Kennlinien eines Solarmoduls
Versuchsdurchführung:
Der Versuch ist wie oben (Figur 1.1.1.a) gezeigt aufzubauen, die
Leuchte wird direkt auf das Solarmodul ausgerichtet (Winkel 90°). Nach
dem Aufbau soll 1 Minute Wartezeit folgen, um Fehler durch
Temperaturschwankungen zu vermeiden.
Beginnen Sie die Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie mit der
Leerlaufspannung (R = ∞), und schalten Sie die Widerstandsdekade zu
kleineren Widerständen durch. Es sollen zum jeweiligen Widerstand
Spannung und Stromstärke gemessen und in einer Tabelle notiert
werden. Zwischen den einzelnen Messungen sollten jeweils ca. 20
Sekunden verstreichen.
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Beispiel:
R/Ω
U/V
I/A
∞
330
100
33
10
3,3
1
0,33
0,1
0
1,95
1,94
1,93
1,91
1,83
0,71
0,22
0,17
0,04
0,02
0,00
0,01
0,02
0,05
0,17
0,18
0,18
0,18
0,18
0,18
P/W
berechnet:
P=U·I
0,000
0,019
0,039
0,096
0,311
0,128
0,040
0,031
0,007
0,004
Figur 1.1.1.c: Messwerttabelle
Messung von Spannung und Strom zum jeweiligen Widerstand,
(durchgeführt mit dem h-tec Solar Module Junior, bestehend aus
polykristallinem Silizium, Leistung der Leuchte: 75 Watt, Abstand
Leuchte –Solarmodul: 50 cm )
Versuchsauswertung:
Stellen Sie anhand der Messwerttabelle die Abhängigkeit des
Photostromes von der Photospannung graphisch dar.
Figur 1.1.1.d: Strom-Spannungs-Kennlinie des Solarmoduls
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Der Punkt der maximal abgegebenen elektrischen Leistung wird als
Maximum Power Point (MPP) bezeichnet. Das Rechteck (Produkt aus
Spannung und zugehöriger Stromstärke) mit dem größten Flächeninhalt
besagt, dass hier die größte Leistung erzeugt wird. In diesem Beispiel ist
dies bei 1,83 V · 0,17 A = 0,311 W.
Stellen Sie die Leistung in Abhängigkeit der Spannung graphisch dar.
Figur 1.1.1.e: Leistungskurve des Solarmoduls
Der Wirkungsgrad des Solarmoduls
Für die Bestimmung des Wirkungsgrades η benötigt man den Wert der
eingestrahlten Leistung PEin, wie auch den Wert der von der Solarzelle
abgegebenen elektrischen Leistung PAus.
Der Wirkungsgrad der Solarzelle ist am höchsten, wenn sie ihre
maximale Leistung abgibt. Das macht sie im Maximum Power Point, der
maximale Wert für PAus ist bereits bekannt (in diesem Beispiel 0,311 W).
a) Mit dem Strahlungsleistungs-Messgerät wird die Leistung des
eingestrahlten Lichts/Fläche (Bestrahlungsstärke EE) gemessen. Für die
Ermittlung der Leistung PEin die auf die Solarzelle trifft, muss dieser Wert
mit der effektiven Fläche des Solarmoduls multipliziert werden.
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PEin = EE · A
PEin= Leistung des Lichts, die auf die Solarzellenfläche trifft (W)
W
EE = Bestrahlungsstärke ( 2 )
m
A= effektive Fläche der Solarzelle bzw. des Solarmoduls (m2)
Der Wirkungsgrad lässt sich nun mit η =
PAus
berechnen.
PEin
b) Steht für die Messung der Strahlungsleistung kein Messgerät zur
Verfügung, kann das Multimeter zur Abschätzung der eingestrahlten
Lichtleistung verwendet werden. Dafür nutzt man die Tatsache, dass der
Kurzschlussstrom (maximaler Photostrom) proportional zu den auf die
Solarzelle treffenden Photonen (Strahlung) ist. Der Kurzschlussstrom ist
also proportional zur eingestrahlten Lichtleistung.
Die Leerlaufspannung ist charakteristisch für das Halbleitermaterial, aus
dem die Solarzelle besteht. Sie ist nicht proportional zum eingestrahlten
Licht und kann deshalb für diese Messung nicht genutzt werden.
Damit das Multimeter als Messgerät für die Lichtleistung verwendet
werden kann, muss der am Multimeter angezeigte Kurzschlussstrom mit
einem bestimmten Faktor F multipliziert werden, um eine quantitative
Aussage über die Lichtleistung zu erhalten. Dieser Faktor hängt von dem
Maximalwert des Kurzschlussstromes der Solarzelle ab.
Die maximale Leistung des eingestrahlten Lichts/Fläche bei
Sonnenschein im Sommer beträgt ca. 1000 W/m2. Der vom Hersteller
angegebene Maximalwert für den Kurzschlussstrom wird bei dieser
Einstrahlungsleistung erreicht. Die Kenndaten der Solarmodule beziehen
sich
auf
die
Standardtestbedingungen
von
1000
W/m²
Sonneneinstrahlung bei 25 °C Zelltemperatur.
In diesem Beispiel beträgt der maximale Kurzschlussstrom 350 mA. Der
Faktor F wird nach folgender Formel berechnet.
W
2
W
m
=
=
2
,
86
F
Beispiel:
350 mA
m 2 mA
1000
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Wird der am Multimeter erscheinende Kurzschlussstrom nun mit dem
W
multipliziert, hat man den annähernden Wert der
Faktor F = 2,86
m ² mA
flächenbezogenen Strahlungsleistung, die auf das Solarmodul trifft.
Für die Berechnung der auf dem Solarmodul eingestrahlten Lichtleistung
muss die effektive Fläche des Solarmoduls bemessen und mit der
flächenbezogenen Strahlungsleistung multipliziert werden.
Beispiel:
−3
Solarzellenfläche: A = 6 ⋅ 10 m² ( 4 Zellen je 30 mm x 50 mm)
Kurzschlussstrom: IK = 180 mA
PEin = F · IK · A = 2,86
W
−3
·180 mA· 6 ⋅ 10 m² = 3,089 W
m ² mA
Wie bereits ermittelt beträgt die maximal abgegebene elektrische
Leistung PAus = 0,311 W (bei einer eingestrahlten Leistung von 3,089 W).
Der Wirkungsgrad lässt sich nun mit η =
η=
PAus
ermitteln.
PEin
0,311
= 0,101 = 10,1 %
3,089
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Diskussion:
Sehr einfach kann die maximale Leistung aus der Leistungskurve
abgelesen werden. Dieser Punkt wird MPP (Maximum Power Point)
genannt.
In der Strom-Spannungs-Kennlinie beschreibt der MPP die
größtmögliche Rechteckfläche, die zwischen den Koordinatenachsen (U
und I) und der einschließenden Kennlinie aufgespannt werden kann.
Der Widerstand RMPP, bei dem die abgegebene Leistung maximal ist,
lässt sich aus folgender Gleichung ermitteln: R MPP =
U MPP
I MPP
Die Wirkungsgrade polykristalliner Solarzellen liegen zwischen 12–14 %.
Der ermittelte Wirkungsgrad liegt mit 10,1 % etwas darunter. Die
Ursachen dafür sind in Messfehlern und Ungenauigkeiten bei der
Ermittlung der eingestrahlten Lichtleistung zu finden.
Weiterhin ist der Wirkungsgrad von Solarmodulen geringer als der
Wirkungsgrad der einzelnen Solarzelle. Dies geschieht durch
Anpassungsverluste, die dadurch entstehen, das nicht alle Solarzellen
exakt die gleichen Eigenschaften haben. Werden die Solarzellen in
Reihe zu einem Modul verschaltet, besitzen nicht alle den selben
Maximum Power Point.
Der Wirkungsgrad der Solarzelle wird durch folgende Verlustprozesse
begrenzt:
Es können nicht alle Photonen, welche auf die Solarzelle treffen, in
Ladungsträger umgewandelt werden. Ein Teil des Lichts wird bereits an
der Solarzellenoberfläche reflektiert. Außerdem kommt es durch die
metallischen Kontakte zu Abschattungen. Durch die mangelnde
Übereinstimmung von Photonenenergie und Energielücke bleibt mehr
als die Hälfte der eingestrahlten Energie ungenutzt. Weiterhin kommt es
zur Rekombination von Ladungsträgern (Elektronen werden wieder
atomar gebunden) und elektrischen Verlusten an internen Widerständen
(ohmsche Verluste im Halbleitermaterial) der Solarzelle und ihrer
Kontakte.
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1.2. Versuche mit dem PEM-Elektrolyseur
1.2.1. Die Strom-Spannungs-Kennlinie des PEM-Elektrolyseurs
Lesen Sie vor Beginn des Versuchs die Sicherheitshinweise in der
Bedienungsanleitung!
Hintergrund:
Der PEM-Elektrolyseur zersetzt Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff,
dafür muss die an den Elektrolyseur angelegte Spannung einen
bestimmten Wert überschreiten, die Zersetzungsspannung des Wassers.
Unterhalb dieser Spannung findet keine Zersetzung statt. Im folgenden
Versuch soll untersucht werden, wie groß diese Spannung ist.
Dieser Versuch benötigt:
- PEM-Elektrolyseur
- 2 Multimeter
- Spannungsquelle
a)
regelbare Spannungsquelle, z.B. Labornetzgerät
b) alternativ: nicht regelbare Spannungsquelle, z.B.
Solarmodul, in diesem Fall benötigt man zusätzlich:
- ggf. Leuchte für den Betrieb des Solarmoduls
- Widerstandsdekade, Set mit verschiedenen
Widerständen oder Potentiometer
Versuchsaufbau:
a) Sie schließen den Elektrolyseur direkt an die regelbare
Spannungsquelle an. Diese sollte zu Beginn auf 0 V eingestellt und
dann bis maximal 2,0 V hoch geregelt werden.
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Messbereich
10 A= bzw. 20 A=
Messbereich
20 V=
Figur 1.2.1.a: Aufbau zur Ermittlung der Strom-SpannungsKennlinie des Elektrolyseurs, mit einer regelbaren
Spannungsquelle
b) Bauen Sie die Schaltung nach folgendem Schaltbild auf.
Messbereich
10 A= bzw. 20 A=
Messbereich
20 V=
Figur 1.2.1.b: Aufbau zur Ermittlung der Strom-Spannungs-Kennlinie
des Elektrolyseurs mit einer nicht regelbaren Spannungsquelle
Versuchsdurchführung:
Nehmen Sie die Geräte nach den Anweisungen der jeweiligen
Bedienungsanleitung in Betrieb.
a) Stellen Sie die Spannungen an der Spannungsquelle in 0,1 Volt
Schritten kontinuierlich von 0 V bis 2 V höher und notieren Sie die
jeweilige Spannung und die korrespondierende Stromstärke in einer
Tabelle. Warten Sie zwischen den Messungen jeweils 20 Sekunden, um
repräsentative Werte zu erhalten. Achten Sie auf die einsetzende
Gasproduktion und markieren Sie die dazugehörige Spannung in der
Tabelle.
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b) Schalten Sie die Messdekade von kleinen zu großen Widerständen
durch, und notieren Sie die jeweilige Spannung und die
korrespondierende Stromstärke in einer Tabelle. Warten Sie zwischen
den Messungen jeweils 20 Sekunden, um repräsentative Werte zu
erhalten. Achten Sie auf die einsetzende Gasproduktion und markieren
Sie die dazugehörige Spannung in der Tabelle.
Beispiel (durchgeführt mit dem h-tec Premium Electrolyzer ):
R/Ω
0
U/V
0,04
I/A
0,00
0,1
0,14
0,00
0,33
0,37
0,01
1,0
1,09
0,01
3,3
1,59
0,57
10
1,64
0,89
33
1,66
1,01
100
1,66
1,01
330
1,66
1,01
∞
1,66
1,01
Figur 1.2.1.c: Messwerttabelle
Erst beim Überschreiten eines bestimmten Gleichspannungswertes
produziert der PEM-Elektrolyseur kontinuierlich Wasserstoff- und
Sauerstoffgas. Ab diesem Punkt beginnen die Stromwerte zu steigen.
Diese Tabelle zeigt die jeweiligen Stromwerte für die unterschiedlich
angelegten Spannungen.
Versuchsauswertung:
Stellen Sie die aufgenommenen Wertepaare in einem Diagramm
graphisch dar.
Die sich ergebene Kurve ist die Strom-Spannungs-Kennlinie des
Elektrolyseurs, die angenähert aus zwei sich schneidenden Geraden
besteht (siehe Beispiel). Zeichnen Sie diese ein und markieren Sie den
Schnittpunkt der stark ansteigenden Gerade mit der U-Achse.
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Beispiel (durchgeführt mit dem h-tec Premium Electrolyzer):
Figur 1.2.1.d: Strom-Spannungs-Kennlinie des Elektrolyseurs
Diskussion:
Im Diagramm 1.2.1.d ist die Abhängigkeit der Stromstärke von der
angelegten Spannung aufgetragen.
Aus dem Kurvenverlauf lässt sich gut erkennen, dass erst ab einer
bestimmten Spannung der Strom zu fließen beginnt.
Erst wenn ein deutlich messbarer Strom fließt, hat die Zersetzung des
Wassers eingesetzt. In unserem Beispiel bei 1,59 V (siehe Tabelle, Figur
1.2.1.c).
Die Zersetzungsspannung ist jedoch kleiner. Sie liegt dort, wo sich die
Gerade größerer Steigung und die Abszisse (U- Achse) schneiden.
Die theoretische Zersetzungsspannung von Wasser beträgt 1,23 V.
Unterhalb dieser Spannung findet keine Zersetzung statt. In der Praxis
liegt
diese
Spannung
jedoch
aufgrund
von
sogenannten
Überspannungen höher. Die Differenz zwischen theoretischem und
praktischem Spannungswert ist von mehreren Parametern abhängig,
z.B. von der Art und Beschaffenheit des Elektrodenmaterials, dem
Elektrolyten und der Temperatur.
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1.2.2. Energetischer Wirkungsgrad und faradayscher
Wirkungsgrad des PEM-Elektrolyseurs
Lesen Sie vor Beginn des Versuchs die Sicherheitshinweise in der
Bedienungsanleitung!
Dieser Versuch benötigt:
- PEM-Elektrolyseur
- Wasserstoffspeicher für Versuchszwecke mit Skala
- 2 Multimeter
- Stoppuhr
- Spannungsquelle
a) regelbare Spannungsquelle, z.B. Labornetzgerät
b) alternativ: nicht regelbare Spannungsquelle, z.B. Solarmodul,
in diesem Fall benötigt man zusätzlich:
- ggf. Leuchte für den Betrieb des Solarmoduls
- Widerstandsdekade, Set mit verschiedenen
Widerständen oder Potentiometer
Versuchsaufbau:
a) Sie schließen den Elektrolyseur direkt an die regelbare
Spannungsquelle an. Stellen Sie einen Spannungswert von z.B. 1,8 V
(größer als 1,5 V und kleiner als 2 V) ein.
Messbereich
10 A= bzw. 20 A=
Messbereich
20 V=
Figur 1.2.2.a: Aufbau zur Ermittlung des energetischen
und faradayschen Wirkungsgrades des Elektrolyseurs mit
einer regelbaren Spannungsquelle.
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b) Bauen Sie die Schaltung nach folgendem Schaltbild auf.
Messbereich
10 A= bzw. 20 A=
Messbereich
20 V=
Figur 1.2.2.b: Aufbau zur Ermittlung des energetischen
und faradayschen Wirkungsgrades des Elektrolyseurs mit
einer nicht regelbaren Spannungsquelle
Versuchsdurchführung:
Nehmen Sie die Geräte nach den Anweisungen der jeweiligen
Bedienungsanleitung in Betrieb.
Das System sollte vor dem Versuch mehrere Minuten Gas produzieren.
Unterbrechen Sie dann die Stromversorgung zum Elektrolyseur. Öffnen
Sie die Ausgangsventile der Gasspeicher, um produzierte Gase
vollständig abzulassen. Wenn die Gase entfernt wurden, sind die
Speicher komplett mit destilliertem Wasser gefüllt. Der Wasserspiegel
muss also mit der Linie 0 cm³ deckungsgleich sein, wenn man senkrecht
auf die Speicherskala schaut. Schließen Sie nun die Ausgangsventile
der Gasspeicher.
Starten Sie die Zeitmessung in dem Moment, in dem Sie den
Elektrolyseur mit der Spannungsquelle verbinden. Notieren Sie die am
Elektrolyseur anliegende Spannung und die durch ihn fließende
Stromstärke. Notieren Sie bei markanten Skalenstrichen jeweils die Zeit,
die Spannung und die Stromstärke. Die letzten Messungen werden
gemacht, wenn der Wasserstoffspeicher maximal mit Gas gefüllt ist. Dies
entspricht in unserem Beispiel 20 cm³.
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Beispiel (durchgeführt mit dem h-tec Wasserstoff-Experimentiersystem
JuniorBasic):
VH2 / cm³
t/s
U/V
I/A
P/W
berechnet:
P=U·I
0
0
1,62
0,23
0,37
5
184
1,62
0,23
0,37
10
377
1,62
0,23
0,37
15
562
1,62
0,23
0,37
20
768
1,62
0,23
0,37
Figur 1.2.2.c: Messwerttabelle
Überschreitet die angelegte Gleichspannung an einem PEM-Elektrolyseur
eine bestimmte Größe, produziert er kontinuierlich Wasserstoff- und
Sauerstoffgas. Für bestimmte produzierte Wasserstoffgasvolumen (in 5 cm³
Schritten) wurden in dieser Tabelle die Zeit-, Spannungs- und Stromwerte
aufgenommen.
Energetischer Wirkungsgrad des PEM-Elektrolyseurs
Hintergrund
Der energetische Wirkungsgrad ηenergetisch gibt an, wie viel der zugeführten
Energie Ezu als tatsächlich nutzbare Energie Enutz das System, in diesem
Fall den Elektrolyseur, verlassen.
η energetisc h =
E nutz EWasserstof f
=
E zu
E elektrisch
Je größer der Wirkungsgrad ist, desto besser ist die Energienutzung.
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Versuchsauswertung Teil 1:
Tragen Sie das produzierte Gasvolumen in Abhängigkeit von der Zeit in
einem Diagramm auf.
20
18
16
14
VH2 / cm³
12
10
8
6
4
2
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
t/s
Figur 1.2.2.d: Gasvolumen / Zeit-Diagramm eines Elektrolyseurs
(bei P = 0,37 W)
Versuchsauswertung Teil 2:
Berechnen Sie den energetischen Wirkungsgrad des Elektrolyseurs.
Beispiel (durchgeführt mit dem h-tec Wasserstoff-Experimentiersystem
JuniorBasic):
η energetisch =
η energetisch =
EWasserstoff
E elektrisch
=
VH2 ⋅ H 0
U ⋅ I ⋅t
J
m 3 = 0,89 = 89 %
1,62 V ⋅ 0,23 A ⋅ 768 s
2 ⋅ 10−5 m 3 ⋅ 12,745 ⋅ 106
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H 0 = Brennwert des Wasserstoffs1) = 12,745 ⋅ 10 6
genannt)
J
(auch oberer Heizwert
m3
V H 2 = erzeugte Menge Wasserstoff in m³
U
= Spannung in V
I
= Strom in A
T
= Zeit in s
1)
Als Brennwert HO wird die Energie bezeichnet, die bei der Verbrennung eines
Stoffes (Oxidation) frei wird. Dabei wird auch die Energie einbezogen, die der vom
Brennstoff verursachte Wasserdampf als Kondensationswärme enthält. Die Nutzung
dieser Energie ist in konventionellen Feuerungen nicht möglich. Deshalb wird
zusätzlich ein Wert formuliert, der die Kondensationswärme vernachlässigt. Diese
Größe bezeichnet man als Heizwert HU. Während in der Chemie mit dem Brennwert
HO gerechnet wird, verwendet man den Heizwert in physikalischen und technischen
Berechnungen.
Diskussion:
In der Tabelle ist zu sehen, dass die elektrische Leistungsaufnahme des
Elektrolyseurs über die Zeit konstant ist. Ebenso ist die
Wasserstoffproduktion konstant, denn im Gasvolumen/Zeit Diagramm
sieht man, dass das produzierte Gasvolumen linear von der Zeit
abhängt.
In diesem Beispiel beträgt der energetische Wirkungsgrad des
Elektrolyseurs 89 %. Das heißt, dass 89 % der elektrischen Energie, mit
der wir den Elektrolyseur betreiben, in Wasserstoffgas gespeichert sind.
Verluste entstehen durch die elektrodenspezifischen Überspannungen
(die Überspannung ist allgemein die Abweichung der theoretischen
Zersetzungsspannung von der tatsächlichen, experimentell ermittelten,
Zersetzungsspannung), den Innenwiderstand der Elektrolysezelle und
den Diffusionsverlusten der Gase innerhalb der Zelle.
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Faradayscher Wirkungsgrad des PEM-Elektrolyseurs
Hintergrund:
Das erste faradaysche Gesetz stellt einen Zusammenhang zwischen der
fließenden Stromstärke und der erzeugten Gasmenge her. Es folgt aus
der Tatsache, dass ein erzeugtes Wasserstoffatom ein Elektron besitzt,
welches zuvor zum fließenden Strom beigetragen hat. Der
Zusammenhang zwischen Strom und Elektronen ist I = Q/t (I: Stromstärke, Q: Ladung, t: Zeit). Aus dem Verhältnis von erzeugter und auf die
elektrische Leistung bezogener, errechneter Gasmenge erhält man den
faradayschen Wirkungsgrad des Elektrolyseurs.
Versuchsauswertung:
Das 1. faradaysche Gesetz lautet:
V=
R ⋅ I ⋅T ⋅t
F ⋅ p⋅z
V = theoretisch erzeugtes Gasvolumen in m³
J
R= universelle Gaskonstante = 8,314
mol ⋅ K
N
p = Umgebungsdruck in Pa ( 1 Pa = 1 2 )
m
C
F = Faradaykonstante = 96485
(1 C = 1 As)
mol
T = Umgebungstemperatur in K
I = Strom in A
t = Zeit in s
z = Anzahl der Elektronen, um ein Molekül abzuscheiden :
z ( H 2 ) = 2, d.h. es werden 2 mol Elektronen benötigt, um 1 mol Wasserstoff
freizusetzen.
z ( O2 ) = 4
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Verrechnet =
R ⋅ I ⋅T ⋅t
=
F ⋅ p⋅z
J
⋅ 0,23 A ⋅ 293 K ⋅ 768 s
mol ⋅ K
C
96485
⋅ 1,013 ⋅ 10 5 Pa ⋅ 2
mol
8,314
Verrechnet = 2,20 ⋅ 10 −5 m³ = 22 cm³
Den faradayschen Wirkungsgrad erhält man aus folgender Formel:
ηFaraday =
VH 2 ( erzeugt )
VH 2 ( errechnet )
Das experimentell erzeugte Wasserstoffvolumen beträgt:
VH 2 (erzeugt) = 20 cm³.
Der faradaysche Wirkungsgrad beträgt demzufolge:
η Faraday
20 cm 3
=
= 0,91 = 91 %
3
22 cm
Diskussion:
Der Unterschied zwischen Theorie (η = 100 % ) und Praxis (η Faraday = 91 % )
beträgt 9 %. Er setzt sich aus Messfehlern und Diffusionsverlusten der
Gase innerhalb der Zelle zusammen. Die Diffusionsverluste entstehen
dadurch, dass ein Teil der Gase durch die Membran des Elektrolyseurs
diffundiert und am Katalysator zu Wasser reagiert. Es wird ein kleiner
Teil des erzeugten Gases direkt wieder umgesetzt, ohne das es aus der
Zelle austreten kann.
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1.3. Versuche mit der PEM-Brennstoffzelle
1.3.1. Die Strom-Spannungs-Kennlinie und die Leistungskurve der
PEM-Brennstoffzelle
Lesen Sie vor Beginn des Versuchs die Sicherheitshinweise in der
Bedienungsanleitung!
Hintergrund:
In der Brennstoffzelle reagieren der von außen zugeführte Wasserstoff
und Sauerstoff zu Wasser, dies geschieht unter Abgabe von
elektrischem Strom und Wärme.
Die Leistung der Brennstoffzelle ist vom Lastwiderstand abhängig.
Im folgenden Versuch soll untersucht werden, bei welchem Widerstand
und somit welcher Stromstärke die Leistungsausbeute optimal ist.
Dieser Versuch benötigt:
- PEM-Brennstoffzelle
- 2 Multimeter
- Widerstandsdekade, Set mit verschiedenen Widerständen oder
Potentiometer
- Wasserstoffquelle
a) Wasserstoffspeicher, z.B. Druckgasdose,
Metallhydridspeicher
b) alternativ: Elektrolyseur, in diesem Fall benötigt man
zusätzlich:
- Spannungsquelle, wie z.B. Solarmodul oder
Labornetzgerät
- ggf. Leuchte für den Betrieb des Solarmoduls
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Versuchsaufbau:
Bauen Sie die Schaltung nach folgendem Schaltbild auf.
Messbereich
20 V=
Messbereich
10 A= bzw. 20 A=
Figur 1.3.1.a: Aufbau zur Ermittlung der Strom-Spannungs-Kennlinie der
Brennstoffzelle (FC = Fuel Cell = Brennstoffzelle)
Versuchsdurchführung:
Nehmen Sie die Geräte nach den Anweisungen der jeweiligen
Bedienungsanleitung in Betrieb.
a) Schließen Sie die Ausgangsventile der Brennstoffzelle. Verbinden Sie
die
Ausgangsanschlüsse
der
Wasserstoffquelle
mit
den
Eingangsanschlüssen der Brennstoffzelle (siehe Bedienungsanleitung).
Öffnen Sie die Ausgangsventile der Brennstoffzelle und durchspülen Sie
die Zelle kurz mit Wasserstoff und schließen die Ventile wieder. Dieses
dient dazu, Restgase zu entfernen, die die Messung verfälschen. Damit
die Brennstoffzelle vor der Messung kein Wasserstoff verbraucht, muss
sie auf Leerlauf (offene Klemmen, kein Stromfluss) geschaltet sein.
Beginnen Sie die tabellarische Aufnahme der Strom- SpannungsKennlinie mit der Leerlaufspannung (R = ∞). Schalten Sie die
Widerstandsdekade von größeren zu kleineren Widerständen durch und
notieren Sie zu den Widerständen jeweils die dazugehörigen
Spannungs- und Stromwerte. Warten Sie zwischen den einzelnen
Messungen 20 Sekunden, um repräsentative Ergebnisse zu erhalten.
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b) Schließen Sie den Elektrolyseur an die Stromquelle an, um
Wasserstoff und Sauerstoff zu produzieren. Verbinden Sie die
Ausgangsanschlüsse des Elektrolyseurs mit den Eingangsanschlüssen
der Brennstoffzelle. Schließen Sie die Ausgangsventile der
Brennstoffzelle. Nachdem Sie ca. 5 cm3 Wasserstoffgas produziert
haben, öffnen Sie die Ausgangsventile der Brennstoffzelle, durchspülen
sie mit Gasen und schließen die Ventile wieder. Dieses dient dazu,
Restgase zu entfernen, die die Messung verfälschen. Damit die
Brennstoffzelle vor der Messung kein Wasserstoff verbraucht, muss sie
auf Leerlauf (offene Klemmen, kein Stromfluss) geschaltet sein.
Beginnen Sie die tabellarische Aufnahme der Strom- SpannungsKennlinie mit der Leerlaufspannung (R = ∞). Schalten Sie die
Widerstandsdekade von größeren zu kleineren Widerständen durch und
notieren Sie zu den Widerständen jeweils die dazugehörigen
Spannungs- und Stromwerte. Warten Sie zwischen den einzelnen
Messungen 20 Sekunden, um repräsentative Ergebnisse zu erhalten.
Beispiel (durchgeführt mit dem h-tec Wasserstoff-Experimentiersystem
JuniorBasic):
R/Ω
U/V
I/A
∞
330
100
33
10
3,3
1
0,33
0,1
0
0,99
0,97
0,94
0,90
0,84
0,76
0,62
0,47
0,32
0,24
0,00
0,01
0,01
0,03
0,08
0,22
0,56
1,05
1,43
1,61
P/W
berechnet:
P=U·I
0,000
0,001
0,001
0,027
0,067
0,167
0,347
0,494
0,458
0,386
Figur 1.3.1.b: Messwerttabelle
Messung der Spannungs- und Stromwerte der Brennstoffzelle bei
unterschiedlichen Lastwiderständen.
23
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Versuchsauswertung:
Stellen Sie die aufgenommenen Werte als Strom-Spannungs-Kennlinie
in einem Diagramm graphisch dar.
1,2
1
U/V
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
0,5
1
1,5
2
I/A
Figur 1.3.1.c: Strom-Spannungs-Kennlinie der Brennstoffzelle
Stellen Sie die Leistung in Abhängigkeit des Stroms graphisch dar.
0,6
0,5
P/W
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
0,5
1
1,5
2
I/A
Figur 1.3.1.d: Leistungskurve der Brennstoffzelle
Diskussion:
Man kann gut aus der Leistungskurve ersehen, bei welchem Strom die
Brennstoffzelle die größte Leistung abgibt. Die maximale Leistung wird
ungefähr bei 1,05 A abgegeben, was einem Lastwiderstand von 0,33 Ω
entspricht (siehe Tabelle 1.3.1.b). Will man diese Brennstoffzelle mit
größtmöglicher Leitung betreiben, muss demnach der Lastwiderstand
0,33 Ω entsprechen.
24
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1.3.2. Energetischer Wirkungsgrad und faradayscher Wirkungsgrad
der PEM-Brennstoffzelle
Lesen Sie vor Beginn des Versuchs die Sicherheitshinweise in der
Bedienungsanleitung!
Dieser Versuch benötigt:
- PEM-Brennstoffzelle
- Wasserstoffquelle, z.B. PEM-Elektrolyseur und Speicher mit Skala für
Versuchszwecke
- Spannungsquelle, bei Nutzung eines Elektrolyseur, wie z.B.
Solarmodul oder Labornetzgerät
- ggf. Leuchte für den Betrieb des Solarmoduls
- 2 Multimeter
- Widerstandsdekade, Set mit verschiedenen Widerständen oder
Potentiometer
- Stoppuhr
Versuchsaufbau:
Bauen Sie die Schaltung nach folgendem Schaltbild auf.
Messbereich
20 V=
Messbereich
10 A= bzw. 20 A=
Figur 1.3.2.a: Aufbau zur Ermittlung des energetischen Wirkungsgrades
und faradayschen Wirkungsgrades der Brennstoffzelle (FC = Fuel Cell =
Brennstoffzelle)
25
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Versuchsdurchführung:
Nehmen Sie die Geräte nach den Anweisungen der jeweiligen
Bedienungsanleitung in Betrieb.
Verbinden Sie die Ausgangsanschlüsse des Wasserstoffspeichers vom
Elektrolyseur mit den Eingangsanschlüssen der Brennstoffzelle.
Schließen Sie die Ausgangsventile der Brennstoffzelle. Produzieren Sie
ca. 20 cm³ Wasserstoffgas und öffnen Sie dann kurz die Klemmen am
Ausgang der Brennstoffzelle. Das System wird dadurch entlüftet.
Produzieren Sie das vom Gerät abhängige maximal mögliche
Wasserstoffvolumen (in dem Beispiel 20 cm³). Unterbrechen Sie die
Stromversorgung zum Elektrolyseur. Unterbrechen Sie die elektrische
Verbindung der Brennstoffzelle mit der Widerstandsdekade. Schalten Sie
die Widerstandsdekade auf den Widerstand, bei dem Sie den
energetischen Wirkungsgrad bestimmen wollen (z.B. 3,3 Ω). Schließen
Sie den Stromkreis zwischen Brennstoffzelle und Widerstandsdekade
wieder, und starten Sie im gleichen Moment die Zeitmessung.
Notieren Sie die Messwerte für Zeit, Spannung und Strom nach
konstanten Volumenschritten (z.B. 5 cm³), bei einem unveränderten
Widerstand. Achten sie darauf, dass die Stromwerte nicht zu stark
schwanken. Wenn der Strom im Laufe der Messung beträchtlich
abnimmt, liegt es wahrscheinlich daran, dass noch Restgase in den
Speichern vorhanden sind, die die Funktion der Brennstoffzelle
beeinträchtigen. Dieses Problem tritt auf, wenn nur noch wenig
Wasserstoff im Speicher vorhanden ist (z.B. nur noch 5 cm³).
Beispiel (durchgeführt mit dem h-tec Wasserstoff-Experimentiersystem
JuniorBasic):
VH2 / cm³
t/s
U/V
I/A
P / W berechnet:
P=U·I
20
0
0,73
0,21
0,153
15
175
0,72
0,21
0,151
10
356
0,72
0,21
0,151
U = 0,72
I = 0,21
P = 0,152
Mittelwert
Figur 1.3.2.b: Messwerttabelle
Wird einer Brennstoffzelle Wasserstoffgas zugeführt, wandelt sie diesen
Brennstoff kontinuierlich in elektrische Energie um. In dieser Tabelle
wurden für bestimmte verbrauchte Wasserstoffgasvolumen (in 5 cm³ Schritten) die Zeit-, Spannungs- und Stromwerte aufgenommen.
26
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Energetischer Wirkungsgrad der PEM-Brennstoffzelle
Hintergrund
Der energetische Wirkungsgrad ηenergetisch gibt an, wie viel der zugeführten
Energie Ezu als tatsächlich nutzbare Energie Enutz das System, in diesem
Fall die Brennstoffzelle, verlassen.
η energetisc h =
E nutz
E
= elektrisch
E zu
EWasserstof f
Je größer der Wirkungsgrad ist, desto besser ist die Energienutzung.
Versuchsauswertung Teil 1
Tragen Sie das verbrauchte Gasvolumen in Abhängigkeit von der Zeit in
einem Diagramm auf.
12
10
VH2 / cm³
8
6
4
2
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
t / s
Figur 1.3.2.c: Wasserstoffverbrauch/Zeit-Diagramm einer Brennstoffzelle
(bei P =0,152 W)
Versuchsauswertung Teil 2
Berechnen Sie den energetischen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle.
Beispiel (durchgeführt mit dem h-tec Wasserstoff-Experimentiersystem
JuniorBasic):
η energetisch =
E elektrisch
U ⋅ I ⋅t
=
EWasserstoff VH 2 ⋅ H u
27
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η energetisch =
0,72 V ⋅ 0,21 A ⋅ 356 s
= 0,498 ≈ 50 %
−6
6 J
10 ⋅ 10 m ³ ⋅ 10,8 ⋅ 10 3
m
H U = Heizwert des Wasserstoffs1) = 10,8 ⋅ 10 6
J
(auch unterer Heizwert genannt)
m3
V H 2 = verbrauchte Menge Wasserstoff in m³
U
I
t
= Spannung in V
= Strom in A
= Zeit in s
1)
Als Brennwert HO wird die Energie bezeichnet, die bei der Verbrennung eines
Stoffes (Oxidation) frei wird. Dabei wird auch die Energie einbezogen, die der vom
Brennstoff verursachte Wasserdampf als Kondensationswärme enthält. Die Nutzung
dieser Energie ist in konventionellen Feuerungen nicht möglich. Deshalb wird
zusätzlich ein Wert formuliert, der die Kondensationswärme vernachlässigt. Diese
Größe bezeichnet man als Heizwert HU. Während in der Chemie mit dem Brennwert
HO gerechnet wird, verwendet man den Heizwert in physikalischen und technischen
Berechnungen.
Diskussion:
Im Wasserstoffverbrauch/Zeit-Diagramm (Figur 1.3.2.c) sieht man, dass
das verbrauchte Gasvolumen direkt proportional zur Zeit ist.
Der energetische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle in unserem Beispiel
beträgt 50 %. Das heißt, dass 50 % der im Wasserstoff gespeicherten
Energie, mit der wir die Brennstoffzelle betreiben, als elektrische Energie
abgegeben wird.
Zusätzlich gibt die Brennstoffzelle auch Wärme ab. Wird diese Wärme
nicht genutzt, ist sie als Verlustenergie anzusehen. Dadurch ist der
energetische Wirkungsgrad von vornherein begrenzt. Dafür wird ein
idealer Wirkungsgrad ηid definiert, der sich als Quotient der freien
Reaktionsenthalpie ∆G (die bei der Reaktion freiwerdende Arbeit, z.B. in
Form von elektrischer Energie) zur Reaktionsenthalpie ∆H (die bei der
Reaktion freiwerdende Energie) zusammensetzt.
η id =
∆G
∆H
28
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Die Differenz zwischen freier Reaktionsenthalpie ∆G und der
Reaktionsenthalpie ∆H ist die freiwerdende Wärme Q. Die Wärme kann
als Produkt aus der Temperatur T und der Reaktionsentropie ∆S
beschrieben werden.
Q = T ⋅ ∆S
Dann lässt sich die Reaktionsenthalpie mit folgender Gleichung
bestimmen:
∆H = ∆G + T ⋅ ∆S
Der ideale Wirkungsgrad ηid wird dann nach folgender Formel berechnet:
η id =
∆G ∆H − T ⋅ ∆S
T ⋅ ∆S
=
=1−
=1−
∆H
∆H
∆H
298 K ⋅ ( −162,985
− 285840
J
)
K mol
J
mol
ηid = 0,83 = 83 %
T
= 298 K
J
K mol
J
∆ H = -285840
mol
∆S
= -162,985
Der energetische Wirkungsgrad von 83 % wird aufgrund von
Spannungsverlusten, die sich auch als Wärme auswirken, weiter
begrenzt.
Die ideale Zellspannung von 1,23 Volt wird durch die
elektrodenspezifischen Überspannungen, den Innenwiderstand der
Brennstoffzelle und Diffusionsverluste innerhalb der Brennstoffzelle nie
erreicht.
Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ist ähnlich dem des Elektrolyseurs
stark leistungsabhängig. Besitzt der Verbraucher einen großen
elektrischen Widerstand, ist zwar der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle
29
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hoch, sie läuft jedoch nur im Teillastbereich. Man entnimmt ihr also
weniger Leistung, als sie produzieren kann.
Um herauszufinden, bei welchem Lastwiderstand der energetische
Wirkungsgrad der Brennstoffzelle am größten ist, kann dieser Versuch
mit verschiedenen Widerständen wiederholt werden (empfohlen 10 Ω bis
0,1 Ω).
Faradayscher Wirkungsgrad der PEM-Brennstoffzelle
Hintergrund:
Das erste faradaysche Gesetz stellt einen Zusammenhang zwischen der
verbrauchten Gasmenge und der fließenden Stromstärke her. Es folgt
aus der Tatsache, dass ein verbrauchtes Wasserstoffatom ein Elektron
besitzt, welches später zum fließenden Strom beiträgt. Der
Zusammenhang zwischen Strom und Elektronen ist I= Q/t (I: Stromstärke, Q: Ladung, t: Zeit). Aus dem Verhältnis von verbrauchter und auf
die elektrische Leistung bezogener, errechneter Gasmenge erhält man
den faradayschen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle.
Versuchsauswertung:
Das erste faradaysche Gesetz lautet:
V=
R ⋅ I ⋅T ⋅t
F ⋅ p⋅z
V = theoretisches Gasvolumen in m³
J
mol ⋅ K
N
p = Umgebungsdruck in Pa ( 1 Pa = 1 2 )
m
C
F = Faradaykonstante = 96485
(1 C = 1 As)
mol
R= universelle Gaskonstante = 8,314
T = Umgebungstemperatur in K
I = Strom in A
t = Zeit in s
z = Anzahl der Elektronen, um ein Molekül abzuscheiden :
z ( H 2 ) = 2, d.h. es werden 2 mol Elektronen benötigt, um 1 mol Wasserstoff
freizusetzen.
z ( O2 ) = 4
30
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Den faradayschen Wirkungsgrad erhält man aus folgender Formel:
η Faraday =
V H 2 ( errechnet )
V H 2 ( verbraucht)
Beispiel (durchgeführt mit dem h-tec Wasserstoff-Experimentiersystem
JuniorBasic):
V H 2 ( verbraucht ) = 10 cm ³
V H 2 ( errechnet ) =
R ⋅ I ⋅T ⋅t
=
F ⋅ p⋅z
J
⋅ 0,21 A ⋅ 293 K ⋅ 356 s
mol ⋅ K
C
96485
⋅ 1,013 ⋅ 10 5 Pa ⋅ 2
mol
8,314
VH 2 ( errechnet ) = 9,32 ⋅ 10 −6 m ³ = 9,32 cm ³
η Faraday =
9,32 cm ³
= 0,932 ≈ 93 %
10 cm ³
Diskussion
Die tatsächlich verbrauchte Gasmenge ist etwas größer als die
errechnete, weil in der Brennstoffzelle ähnliche Diffusionsverluste wie
beim Elektrolyseur auftreten.
Der faradaysche Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ist nach den
vorliegenden Versuchsergebnissen jedoch etwas kleiner als beim
Elektrolyseur. Die Ursache liegt darin, dass ein kleinerer Strom fließt. Es
wird mehr Zeit zum Verbinden der gleichen Menge Wasser als zum
Spalten desselben benötigt. In einer längeren Zeitspanne diffundiert
mehr Wasserstoff durch die Membran, der dann nicht mehr für die
Stromerzeugung zur Verfügung steht.
31
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1.4. Versuche mit der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)
1.4.1. Die Strom-Spannungs-Kennlinie der Direkt-MethanolBrennstoffzelle
Lesen Sie vor Beginn des Versuchs die Sicherheitshinweise in der
Bedienungsanleitung!
Hintergrund:
Die abgegebene Leistung einer DMFC hängt von dem angeschlossenen
Lastwiderstand ab. Um eine optimale Leistungsausbeute zu bekommen,
muss der passende Widerstand ermittelt werden.
Dieser Versuch benötigt:
- Direkt-Methanol-Brennstoffzelle
- 2 Multimeter
- Widerstandsdekade, Set mit verschiedenen Widerständen oder
Potentiometer
Achtung:
Methanol ist giftig.
Versuchsaufbau:
Bauen Sie die Schaltung nach folgendem Schaltbild auf.
Messbereich
20 V=
Messbereich
10 A= bzw. 20 A=
Figur 1.4.1.a: Aufbau zur Ermittlung der Strom-Spannungs-Kennlinie
der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)
32
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Versuchsdurchführung:
Die DMFC, das Volt- und das Amperemeter sind wie im Schaltbild an die
Widerstandsdekade anzuschließen. Vor Beginn der Messungen muss
die DMFC erst einige Minuten mit der Methanollösung stehen, bevor sie
repräsentative Werte liefert.
Beginnen Sie die Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie mit der
Leerlaufspannung (R = ∞), und schalten Sie die Widerstandsdekade zu
kleineren Widerständen durch. Es sollen zum jeweiligen Widerstand
Spannung und Stromstärke gemessen und in einer Tabelle notiert
werden. Zwischen den einzelnen Messungen sollten jeweils ca. 20
Sekunden verstreichen.
Beispiel (durchgeführt mit der h-tec Direkt-Methanol-Brennstoffzelle
Premium DMFC):
R/Ω
U/V
I/A
∞
330
100
33
10
3,3
1
0,33
0,1
0
0,60
0,60
0,59
0,57
0,50
0,41
0,28
0,18
0,10
0,06
0,00
0,00
0,01
0,02
0,05
0,12
0,26
0,38
0,50
0,54
P / mW
berechnet:
P=U·I
0,0
0,0
5,9
11,4
25,0
49,2
72,8
68,4
50,0
32,4
Figur 1.4.1.b: Messwerttabelle
Messung der Spannungs- und Stromwerte der Direkt-MethanolBrennstoffzelle bei unterschiedlichen Lastwiderständen.
33
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Versuchsauswertung:
Stellen Sie anhand der Messwerttabelle die Abhängigkeit der Spannung
von dem Strom dar.
0,7
0,6
0,5
U/V
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
I/A
Figur 1.4.1.c: Strom-Spannungs-Kennlinie der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle
Stellen Sie die Leistung in Abhängigkeit des Stroms graphisch dar.
80
70
60
P / mW
50
40
30
20
10
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
I/A
Figur 1.4.1.d: Leistungskurve der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle
34
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Diskussion:
Man kann aus den Diagrammen ersehen, dass die abgegebene Leistung
einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle vom Lastwiderstand (Zellspannung, Stromstärke) abhängig ist.
Aus der Leistungskurve kann ermittelt werden, bei welchem Strom die
Direkt-Methanol-Brennstoffzelle die größte Leistung abgibt. Die
maximale Leistung wird bei ca. 0,29 A abgegeben, was einem
Lastwiderstand von annähernd 1 Ω entspricht.
Soll diese Direkt-Methanol-Brennstoffzelle mit größtmöglicher Leistung
betrieben werden, muss der Lastwiderstand ca. 1 Ω entsprechen.
35