V42 Brennstoffzelle

E 3 Brennstoffzelle
1
Aufgabenstellung
1.1
Ermitteln Sie den Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs.
1.2
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-LeistungsKennlinie und diskutieren Sie diese.
1.5.1 Einfluss durch die Luftversorgung
1.5.2 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
2
Theoretische Grundlagen
Stichworte zur Vorbereitung:
Wasserstoff, Elektrolyse, Gesetz von Faraday, Brennstoffzelle (Aufbau, Wirkprinzip,
Kennlinie, Arten), Katalyse, Metallhydridspeicher, Wirkungsgrad, Heizwert
Literatur:
S. Geitmann
W. Winkler
R. A. Zahoransky
Wasserstoff und Brennstoffzellen
Kap. 10.1 – 10.4
Hydrogeit Verlag, 2004
Brennstoffzellenanlagen
Kap. 2.1, 2.2, 5.3,
Springer Verlag, 2002
Energietechnik
Kap. 9.2 – 9.5
Vieweg und Sohn Verlag, 2007
1
S. Geitmann
Erneuerbare Energien & Alternative Kraftstoffe
Kap. 3.9
Hydrogeit Verlag, 2005
Fuell Cell systems Explained
WILEY-Verlag, 2003
J. Larminie
A. Dicks
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:
2H2  4H  4e
O2  4H  4e  2H2O
2H2  O2  2H2O
Anode (Oxidation) :
Kathode (Reduktion) :
Gesamtreaktion:
2
3
Versuchsdurchführung
Abb. 2: 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
Maximale Leistung
Leerlaufspannung
Strom bei Nennleistung
Spannung bei Nennleistung
Maximaler Strom
Wasserstoffverbrauch bei Nennleistung
Max. Zelltemperatur
Zellanzahl des Brennstoffzellenstacks
Aktive Zellfläche
Dicke einer Zelle
Abmessung der Zelle (ohne Anbauteile):
3.1
40 W
50 W
~9V
~9A
~5V
10,5 A
~ 580 ml/min
50°C (im Betrieb)
45°C (zum Anfahren)
10
25 cm ²
1 cm
6 cm x 7 cm x 8 cm
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 (Ho = 12,75 MJ/m³ (Normkubikmeter)).
Wiederholen Sie die Messung. Führen Sie eine Größtfehlerrechnung durch.
3.2
Aufnahme der U-I sowie P-I Kennlinie
Die Strom- bzw. Spannungswerte können über das Potentiometer EL200 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 Pmax. Vergleichen Sie die Daten mit
industriellen Zellen (~2 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 (~25 °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. Hu = 10,78 MJ/m³.
Tragen Sie den Wirkungsgrad über den Laststrom ab und erläutern Sie den Verlauf.
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