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Experimentieranleitungen - Heliocentris

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Experimentieranleitungen
für die Experimentiermodelle
hydro-Genius® Professional
heliocentris Energiesysteme GmbH, Rudower Chaussee 29, 12489 Berlin
®
Experimentieranleitungen hydro-Genius Professional, ab Baujahr 5/2000
1. Auflage
Stand 1.9.2000
© heliocentris Energiesysteme GmbH, Rudower Chaussee 29, D-12489 Berlin
Alle Rechte vorbehalten. Diese Bedienungsanleitung sowie einzelne Teile derselben sind
urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, Vervielfältigung oder Ablichtung in anderen als den
gesetzlich zugelassenen Fällen ist verboten.
Inhaltsverzeichnis
P s1
Dunkel- und Hellkennlinie des Solarmoduls ..............................................................
1
P s2
Abhängigkeit des Fotostroms vom Abstand der Lichtquelle und vom Einfallswinkel .
9
P e1
Kennlinie des Elektrolyseurs ...................................................................................... 16
P e2
Faradaysche Gesetze ................................................................................................ 20
P e3
Faraday- und Energiewirkungsgrad des Elektrolyseurs ............................................. 27
P b1
Kennlinie der Brennstoffzelle – Parallel- und Reihenschaltung .................................. 31
P b2
Faraday- und Energiewirkungsgrad der Brennstoffzelle ............................................ 39
P b3
1. Faradaysches Gesetz bei der Brennstoffzelle ........................................................ 45
P g1
Wasser = 2 Teile Wasserstoff + 1 Teil Sauerstoff ...................................................... 51
Dunkel- und Hellkennlinie
P s1
des Solarmoduls
Material:
Solarmodul
Zusätzliche Komponenten:
Verbrauchermodul
Schwarze Pappe (Teil 1)
Strom- und Spannungsmessgeräte
Netzteil (Teil 1)
5 Kabel
Lampe 100-150 Watt (Teil 2)
Durchführung:
Beachten Sie die Anweisungen aus der Bedienungsanleitung!
Teil 1: Dunkelkennlinie
Bild s1a
Messgerät
+
V
+
A
-
Netzgerät
+
1.
0 - 3,0 V
-
Solarmodul
Stellen Sie das Solarmodul auf eine feste Unterlage und decken Sie es vollständig mit einer
schwarzen Pappe ab.
2.
Bauen Sie eine Anordnung nach Bild s1a auf und schließen Sie das Solarmodul in
"Durchlassrichtung" an das Netzgerät, d.h. den Plus-Pol des Netzgerätes an den Plus-Pol des Solarmoduls und den Minus-Pol des Netzgerätes an den Minus-Pol des Solarmoduls.
3.
Stellen Sie am Netzgerät unterschiedliche Spannungen ein (zwischen 0 und 1,5 V in 0,5 V
Schritten, zwischen 1,5 und 2,5 V in 0,2 V Schritten) und messen Sie Dunkelstrom und
Spannung.
Die Spannung des Netzgerätes darf 3,0 V nicht überschreiten!
© Copyright 2000 heliocentris
-1-
Experiment s1
Messtabelle:
U/V
I / mA
Auswertung:
1.
Zeichnen Sie das I-U-Diagramm (Dunkelkennlinie des Solarmoduls).
2.
Interpretieren Sie die Kennlinie.
© Copyright 2000 heliocentris
-2-
Experiment s1
Interpretation/Hinweise:
Die Dunkelkennlinie eines Solarmoduls entspricht der I-U-Kennlinie einer
Halbleiterdiode:
Dunkelkennlinie des Solarmoduls
2000
Strom / mA
1500
1000
500
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Spannung / V
Ist das Solarmodul in Durchlassrichtung geschaltet, so werden
Elektronen in die Sperrschicht hineingetrieben. Dadurch wird diese
wieder leitfähig, durch die Diode kann ein Strom fließen.
Bei umgekehrter Polung sperrt die Diode, man spricht von der
Sperrrichtung.
Sie können das in einem kleinen Experiment überprüfen: wechseln Sie
hierzu die Polung am Netzgerät nach Bild s1a und erhöhen Sie langsam
die Spannung. Was passiert mit dem Strom? (Diese Messung sollte nur
im Bereich von 0 bis 3 V vorgenommen werden, um eine Zerstörung des
Solarmoduls zu vermeiden.)
© Copyright 2000 heliocentris
-3-
Experiment s1
Teil 2: Hellkennlinie
Bild s1b
Verbrauchermodul
Messgerät
+
+
V
A
M
-
R
Solarmodul
Lampe
1.
Bauen Sie eine Anordnung nach Bild s1b auf.
2.
Leuchten Sie das Solarmodul mit einer Lampe gut aus (Abstand Lampe-Solarmodul etwa 30 cm,
der Strom sollte im Kurzschluss etwa 700 mA betragen).
3.
Warten Sie ca. 5 Minuten bis sich das Modul erwärmt hat und die Kennlinie bei einer relativ
gleichmäßigen Temperatur aufgenommen werden kann.
4.
Beginnen Sie mit der Messung des Kurzschlussstromes (überbrückte Widerstände) und messen
Sie dann die Werte für Spannung und Stromstärke bei unterschiedlichen Widerständen (0,3, 0,5,
1, 2, 3, 5, 10, 20, 50, 100 Ω). Der letzte Messwert ist der in Schalterstellung "OFFEN".
© Copyright 2000 heliocentris
-4-
Experiment s1
Messtabelle:
R/Ω
U/V
I / mA
Auswertung:
1.
Zeichnen Sie das I-U-Diagramm (Hellkennlinie des Solarmoduls).
2.
Interpretieren Sie die Kennlinie.
3.
Bestimmen Sie den Punkt der maximalen Leistung ("MPP" =
Maximum Power Point) durch grafische Darstellung der Leistung
(P = U • I) über der Spannung.
© Copyright 2000 heliocentris
-5-
Experiment s1
Ergebnisse:
Ergebnisse:
Hellkennlinie des Solarmoduls
1000
Strom / mA
Kurzschlussstrom
500
Leerlaufspannung
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Spannung / V
Folgende Angaben
Bedeutung:
sind
beim
Betrachten
einer
Kennlinie
von
• die Leerlaufspannung (Schalterstellung "OFFEN"),
• der Kurzschlussstrom und
• der Punkt der maximalen Leistung.
Ohne Stromentnahme hat das Solarmodul eine Leerlaufspannung von
2,15 V (R = ∞). Eine einzelne Silizium-Solarzelle hat typischerweise eine
Leerlaufspannung von 0,5 - 0,6 V.
Schließt man das Solarmodul kurz (R = 0 Ω), dann fließt der maximale
Strom (Kurzschlussstrom). Bei unserer Beispielkennlinie beträgt er etwa
680 mA.
© Copyright 2000 heliocentris
-6-
Experiment s1
Der Maximum Power Point "MPP" bezeichnet den Punkt, an dem das
Solarmodul bei einer bestimmten Einstrahlung seine maximale Leistung
abgeben kann. Dieser Punkt liegt im Knickpunkt der I-U-Kennlinie und
kann durch zwei verschiedene Methoden bestimmt werden:
1.
Man bildet das Rechteck mit der größtmöglichen Fläche innerhalb
der I-U-Kennlinie (P = U • I).
2.
Man zeichnet ein P-U-Diagramm und liest den Wert der maximalen
Leistung ab.
Leistungskennlinie des Solarmoduls
2000
MPP
Leistung / mW
1500
1000
500
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Spannung / V
In unserer Beispielmessung liegt der MPP bei 1100 mW.
Die Anpassung eines Solarmoduls an die Leistung des jeweiligen
Verbrauchers spielt in der Praxis eine entscheidende Rolle. Die Leistung
des Verbrauchers sollte nach Möglichkeit immer in der Nähe des "MPP"
liegen.
© Copyright 2000 heliocentris
-7-
Experiment s1
Experimentvariationen:
Sie können den Einfluss der Lichtintensität auf die Leistung des
Solarmoduls bestimmen. Nehmen Sie hierzu zwei weitere Kennlinien bei
verändertem Abstand der Lampe auf (z.B. 20 cm und 40 cm).
Bei einem Abstand von 20 cm darf das Solarmodul nur für die
Dauer der Messung beleuchtet werden!
Tragen Sie P über U auf und vergleichen Sie mit dem P-U-Diagramm bei
einem Lampenabstand von 30 cm.
2000
Abstand 20 cm
Abstand 30 cm
Leistung / mW
1500
Abstand 40 cm
1000
500
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Spannung / V
© Copyright 2000 heliocentris
-8-
Experiment s1
P s2
Abhängigkeit des Fotostroms
vom Abstand der Lichtquelle
und vom Einfallswinkel
Material:
Solarmodul
Zusätzliche Komponenten:
Strom- und Spannungsmessgeräte
1 – 2 Lampen 100-150 Watt
5 Kabel
Durchführung:
Beachten Sie die Anweisungen aus der Bedienungsanleitung!
Bild s2
Messgerät
+
+
-
V
-
A
Solarmodul
Lampe
© Copyright 2000 heliocentris
-9-
Experiment s2
1.
2.
Bauen Sie eine Anordnung nach Bild s2 auf.
Stellen Sie das Solarmodul mit Hilfe einer Winkelskala in Stellung 0° (senkrecht zur Lichtquelle)
und leuchten Sie es mit der Lampe gut aus (Strom ca. 400 mA). Der Abstand zum Solarmodul
sollte dabei typischerweise 50 cm betragen. Wenn die Lampe keine sehr gleichmäßige
Ausleuchtung gewährleistet, sollten für dieses Experiment zwei Lampen verwendet werden.
3.
Der Einfallswinkel des Lichtes lässt sich durch Drehen des Moduls auf der Winkelskala
verändern.
Fassen Sie das Solarmodul vorsichtig an, denn es erwärmt sich stark!
Messen Sie den Fotostrom (Kurzschlussstrom) bei verändertem Einfallswinkel (von 0 bis 90° in
10°-Schritten). Drehen Sie das Solarmodul auf der Scheibe sowohl nach links als auch nach
rechts. Nehmen Sie für beide Richtungen die Messwerte auf und bilden Sie den Mittelwert.
Dadurch werden Inhomogenitäten im Strahlengang ausgeglichen.
4.
Verändern Sie in einem zweiten Experiment den Abstand d der Lampe zum Solarmodul und
messen Sie den Photostrom bei unterschiedlichen Abständen (von 50 bis 150 cm in 10 cmSchritten).
© Copyright 2000 heliocentris
-10-
Experiment s2
Messtabellen:
[1] Winkelabhängigkeit
[2] Abstandsabhängigkeit
α/°
d / cm
I / mA I / mA I / mA
(links) (rechts) (mittel)
I / mA
Auswertung:
1.
Zeichnen Sie das I-α- und das I-cos α-Diagramm.
2.
Zeichnen Sie das I-d- und das I-1/d2-Diagramm.
3.
Wie sind die funktionalen Zusammenhänge und welche
Auswirkungen hat das für die Praxis?
© Copyright 2000 heliocentris
-11-
Experiment s2
Ergebnisse:
Die Leistungsabgabe von Solarmodulen wird direkt von den jeweiligen
Einstrahlungsbedingungen bestimmt. Schwankungen im Strahlungsangebot können durch das Solarmodul nicht ausgeglichen werden.
Trifft das Licht senkrecht auf das Solarmodul, ist der Fotostrom am
höchsten.
1000
900
800
Strom / mA
700
600
500
400
300
200
100
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Winkel / °
© Copyright 2000 heliocentris
-12-
Experiment s2
Der Fotostrom des Solarmoduls ist proportional dem Cosinus des
Einfallswinkels ( I ∝ cosα ).
1000
900
800
Strom / mA
700
600
500
400
300
200
100
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
cos α
Anmerkung: Die Abweichungen vom idealen Cosinus-Gesetz werden
durch Inhomogenitäten im Lichtkegel verursacht.
© Copyright 2000 heliocentris
-13-
Experiment s2
Der Fotostrom des Solarmoduls nimmt mit zunehmender Entfernung der
Lichtquelle ab:
1000
900
800
Strom / mA
700
600
500
400
300
200
100
0
40
60
80
100
120
140
160
Abstand d / cm
1000
900
800
Strom / mA
700
600
500
400
300
200
100
0
0
0,0001
0,0002
0,0003
1/d2 / cm-2
© Copyright 2000 heliocentris
-14-
Experiment s2
Der Fotostrom des Solarmoduls ist umgekehrt proportional dem Quadrat
des Abstandes der Lichtquelle (I ~ 1/d2).
Die Abhängigkeit des Fotostroms vom Einfallswinkel, d.h. vom Höhenwinkel der Sonne, ist bei der Installation von photovoltaischen Systemen
von Bedeutung.
So schwankt der maximale Sonnenhöhenwinkel (12 Uhr Sonnenzeit) für
den Süden der Bundesrepublik Deutschland (48° nördlicher Breite)
zwischen
• 65,5° am 21. Juni und
• 18,5° am 21. Dezember.
Bei der Auslegung größerer Solaranlagen wird daher eine Anpassung an
den Höhenverlauf der Sonne durchgeführt.
Eine Ausrichtung der Solarmodule nach Süden (z.B. auf einem
Hausdach) erweist sich als günstig, da so die Strahlung am Vormittag
und Nachmittag gleichermaßen genutzt werden kann.
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-15-
Experiment s2
P e1
Kennlinie des Elektrolyseurs
Material:
Solarmodul
5 Kabel
Elektrolyseur
Zusätzliche Komponenten:
Strom- und Spannungsmessgerät
Destilliertes Wasser
Lampe 100-150 Watt
Durchführung:
Beachten Sie die Anweisungen aus der Bedienungsanleitung!
Beim Experimentieren Schutzbrille tragen und Zündquellen fernhalten!
Bild e1
Messgerät
+
+
V
A
-
Elektrolyseur
H2
O2
0
+
20
ml
ml
0
20
40
40
60
60
Solarmodul
Lampe
© Copyright 2000 heliocentris
-16-
Experiment e1
1.
Bauen Sie eine Anordnung nach Bild e1 auf. Sie können alternativ zum Solarmodul auch ein
Netzteil verwenden, damit höhere Ströme gemessen werden können. Achtung: Spannungen
über 1,8 V dürfen nur kurzzeitig, Spannungen über 2 V dürfen nicht angelegt werden.
Polung beachten! Der Plus-Pol des Solarmoduls (Netzgerätes) muss am Plus-Pol des Elektrolyseurs und der Minus-Pol des Solarmoduls (Netzgerätes) am Minus-Pol des Elektrolyseurs
anliegen!
2.
Verändern Sie den Solarmodulstrom durch Variation der Lichtintensität, indem Sie das
Solarmodul im Strahlengang der Lampe drehen oder den Abstand verändern (Experiment s2).
Stellen Sie bei kleinen Strömen von ca. 30 mA beginnend bis hin zu Strömen von ca. 800 mA
(abhängig von der verwendeten Lampe, mit Netzteil bis etwa 3 A) unterschiedliche Stromwerte
ein. Messen Sie außerdem die Spannung am Elektrolyseur. Bestimmen Sie mindestens 8
Wertepaare von Elektrolysestrom und -spannung und tragen Sie diese in eine Messtabelle ein.
© Copyright 2000 heliocentris
-17-
Experiment e1
Messtabelle:
U/V
I / mA
Auswertung:
1.
Zeichnen Sie die I-U-Kennlinie des Elektrolyseurs.
2.
Interpretieren Sie die I-U-Kennlinie.
© Copyright 2000 heliocentris
-18-
Experiment e1
Ergebnisse:
Kennlinie des Elektrolyseurs
Strom / mA
3000
2000
1000
0
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2
Spannung / V
Aus der Strom-Spannungs-Kurve ist zu erkennen, dass erst ab einer
bestimmten Spannung (der Zersetzungsspannung) ein merklicher Strom
fließt, der dann kontinuierlich ansteigt. Wie groß ist diese Spannung?
Eine geringe Spannung (z.B. 1,2 V) bewirkt keinen Elektrolysestrom, der
zur Abscheidung von Wasserstoff an der Kathode und Sauerstoff an der
Anode führen würde.
Eine Steigerung der äußeren Spannung über die Zersetzungsspannung
hinaus führt zu einer kontinuierlichen Gasentwicklung mit einem steilen
Anstieg des Elektrolysestroms.
© Copyright 2000 heliocentris
-19-
Experiment e1
P e2
Faradaysche Gesetze
Material:
Solarmodul
5 Kabel
Elektrolyseur
kurzer Schlauch
Strom- und Spannungsmessgerät
Schlauchklemme
Lampe 100-150 Watt
Stoppuhr
Zusätzliche Komponenten:
Destilliertes Wasser
Durchführung:
Beachten Sie die Anweisungen aus der Bedienungsanleitung!
Beim Experimentieren Schutzbrille tragen und Zündquellen fernhalten!
Bild e2a
Messgerät
+
+
V
A
-
Elektrolyseur
H2
O2
0
+
ml
20
ml
0
20
40
40
60
60
Solarmodul
Lampe
© Copyright 2000 heliocentris
-20-
Experiment e2
1.
Bauen Sie eine Anordnung nach Bild e2a auf.
Polung beachten! Der Plus-Pol des Solarmoduls muss am Plus-Pol des Elektrolyseurs und der
Minus-Pol des Solarmoduls am Minus-Pol des Elektrolyseurs eingesteckt sein.
2. Stellen Sie sicher, dass beide Gasspeicher des Elektrolyseurs bis zur 0 ml-Markierung mit
destilliertem Wasser aufgefüllt sind. Für die Messung verschließen Sie den Speicher der
Wasserstoff-Seite mit einer Schlauchklemme (siehe Bild e2b). Der entstehende Wasserstoff wird
dann im Gasspeicher aufgefangen.
Bild e2b
Elektrolyseur
H2
O2
0
+
ml
20
ml
0
20
40
40
60
60
Schlauchklemme
3.
Stellen Sie mit Hilfe des Solarmoduls einen konstanten Elektrolysestrom ein (z.B. 850 mA) und
messen Sie das entstehende Wasserstoffvolumen bei unterschiedlichen Zeiten (60 bis 210 s in
30 s Schritten). [Messtabelle 1]
4.
Geben Sie eine konstante Zeit vor (t = 180 s). Stellen Sie mit Hilfe des Solarmoduls unterschiedliche Stromstärken (200 bis 800 mA in 200 mA-Schritten) ein und messen Sie das entstehende
Wasserstoffvolumen. [Messtabelle 2]
Der Messwert bei 800 mA setzt eine entsprechend starke Lampe voraus. Das Solarmodul
darf nur für die Dauer der Messung mit dieser hohen Intensität beleuchtet werden.
© Copyright 2000 heliocentris
-21-
Experiment e2
Messtabelle:
[1] Zeitabhängigkeit
I=
[2] Stromabhängigkeit
mA = konstant
t/s
t=
VH2 / ml
I / mA
s = konstant
VH2 / ml
Auswertung:
1.
Stellen Sie die Messdaten aus Tabelle 1 und 2 (Volumen über Zeit
und Volumen über Stromstärke) grafisch dar.
2.
Untersuchen Sie den Zusammenhang zwischen dem Volumen des
abgeschiedenen Wasserstoffs und der transportierten Ladung
(1. Faradaysches Gesetz).
3.
Leiten Sie das 2. Faradaysche Gesetz her.
© Copyright 2000 heliocentris
-22-
Experiment e2
Zeitabhängigkeit der Wasserstofferzeugung
se:
25
I = 850 mA
Volumen V / ml
20
15
10
5
0
0
50
100
150
200
250
Messzeit t / s
Stromabhängigkeit der Wasserstofferzeugung
25
t = 180 s
Volumen V / ml
20
15
10
5
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Strom I / mA
© Copyright 2000 heliocentris
-23-
Experiment e2
1. Faradaysches Gesetz
Aus Grafik 1 ist zu erkennen, dass das abgeschiedene Wasserstoffvolumen (bei konstanter Stromstärke) der Zeit proportional ist.
V∝ t
Aus Grafik 2 ist eine Proportionalität des abgeschiedenen Wasserstoffvolumens mit der Stromstärke (bei konstanter Messzeit) zu erkennen.
V∝ I
Wenn V ∝ t und V ∝ I ist, dann gilt:
V∝ I⋅ t
mit I ⋅ t = Q (elektrische Ladung) folgt:
V ∝ Q.
Die Beziehung von V zum molaren Volumen Vm
V = n ⋅ Vm
leitet schließlich zum 1. Faradayschen Gesetz über:
Die elektrolytisch abgeschiedene Stoffmenge n
ist der Zeit t und der Stromstärke I,
also der transportierten elektrischen Ladung Q proportional ( n ∝ Q ).
© Copyright 2000 heliocentris
-24-
Experiment e2
Herleitung des 2. Faradayschen Gesetzes
Aus einem in Versuch e2 erhaltenen Messpunkt mit
I = 850 mA = 0,85 A
und
t = 180 s
und dem Volumen des dabei abgeschiedenen Wasserstoffs
V = 19 ml
lässt sich die geflossene Ladung Q berechnen und in Beziehung zur
abgeschiedenen Stoffmenge setzen:
Q= I⋅ t
Q = 0,85 A ⋅180 s = 153 As = 153 C
Durch eine elektrische Ladung von 153 C werden 19 ml Wasserstoff
abgeschieden.
Zur Abscheidung von 1 mol Wasserstoff benötigt man die molare
Ladung Qm:
Qm =
Qm =
Q
n
n= V
Vm
Q ⋅ Vm
V
Qm =
153 C ⋅ 24 l ⋅ mol −1
Vm = 24 l ⋅ mol −1 (20 °C , Normaldruck )
= 193.300 C ⋅ mol −1
0,019 l
Der Wert von 193.300 C ist die experimentell bestimmte Ladungsmenge,
die bei der Abscheidung von 1 mol Wasserstoffgas fließt.
© Copyright 2000 heliocentris
-25-
Experiment e2
Genauere Untersuchungen haben ergeben, dass 1 mol einwertiger
Ionen eine Ladung von 96.484 C transportiert. Die stoffbezogene
Ladung Qm = 96.484 C mol-1 bezeichnet man als Faraday-Konstante F.
Qm = z ⋅ F
Dabei ist z die Zahl der Elektronen, die zur Abscheidung eines Teilchens
an der Elektrode ausgetauscht wird. Im Fall der Wasserstoffabscheidung
ist z = 2. Daraus folgt der theoretische Wert von Qm:
Qm ( H 2 ) = 2 ⋅ F = 192.968 C ⋅ mol −1
Vergleicht man diesen theoretischen Wert mit der experimentell
bestimmten molaren Ladung für Wasserstoff, erkennt man eine (sehr)
geringe Abweichung.
Für den Zusammenhang von Ladung Q und beliebigen Stoffmengen n
gilt das
2. Faradaysche Gesetz:
Q = n⋅z⋅F
© Copyright 2000 heliocentris
I ⋅t = n⋅z⋅F
oder
-26-
Experiment e2
Faraday- und Energiewirkungs-
P e3
grad des Elektrolyseurs
Material:
Solarmodul
5 Kabel
Elektrolyseur
kurzer Schlauch
Strom- und Spannungsmessgerät
Schlauchklemme
Lampe 100-150 Watt
Stoppuhr
Zusätzliche Komponenten:
Destilliertes Wasser
Durchführung:
Beachten Sie die Anweisungen aus der Bedienungsanleitung!
Beim Experimentieren Schutzbrille tragen und Zündquellen fernhalten!
Bild e3a
Messgerät
+
+
V
A
-
Elektrolyseur
H2
O2
0
+
20
ml
ml
0
20
40
40
60
60
Solarmodul
Lampe
© Copyright 2000 heliocentris
-27-
Experiment e3
1.
Bauen Sie eine Anordnung nach Bild e3a auf.
Polung beachten! Der Plus-Pol des Solarmoduls muss am Plus-Pol des Elektrolyseurs und der
Minus-Pol des Solarmoduls am Minus-Pol des Elektrolyseurs eingesteckt sein.
2.
Stellen Sie sicher, dass beide Gasspeicher des Elektrolyseurs bis zur 0 ml-Markierung mit
destilliertem Wasser aufgefüllt sind. Für die Messung verschließen Sie den Speicher der
Wasserstoff-Seite mit einer Schlauchklemme (siehe Bild e3b). Der entstehende Wasserstoff wird
dann im Gasspeicher aufgefangen.
Bild e3b
Elektrolyseur
H2
O2
0
+
20
ml
ml
0
20
40
40
60
60
Schlauchklemme
3.
Stellen Sie mit Hilfe des Solarmoduls einen konstanten Elektrolysestrom ein (z.B. 800 mA) und
messen Sie das entstehende Wasserstoffvolumen bei vorgegebener Zeit. Führen Sie drei
Messungen bei gleicher Messzeit (z.B. t = 240 s) durch und nehmen Sie für Ihre Berechnungen
den Mittelwert des gespeicherten Wasserstoffvolumens.
Messtabelle :
t=
s
V1 =
ml
U=
V
V2 =
ml
mA
V3 =
ml
I=
ml
V∅ =
Auswertung:
1.
Bestimmen Sie den Faraday-Wirkungsgrad des Elektrolyseurs.
2.
Bestimmen Sie den Energie-Wirkungsgrad des Elektrolyseurs.
© Copyright 2000 heliocentris
-28-
Experiment e3
Bestimmung des Faraday-Wirkungsgrades des Elektrolyseurs
Der Faraday-Wirkungsgrad ηF ist das Verhältnis aus dem experimentell
bestimmten und dem theoretisch zu erwartenden Wasserstoffvolumen:
ηF =
V H 2 exp erimentell
V H 2 theoretisch
Der Faraday-Wirkungsgrad des Elektrolyseurs sollte nahe eins (100 % )
liegen. Mit dem 2. Faradayschen Gesetz lässt sich das theoretisch zu
erwartende Wasserstoffvolumen berechnen (Annahme: Elektrolysestrom
800 mA für 240 s).
I ⋅t = n ⋅ z ⋅ F
V H 2 theoretisch
=
n=
V
Vm
I ⋅ t ⋅Vm
z⋅F
0,8 A ⋅ 240 s ⋅ 24 l ⋅ mol −1
=
= 0,02388 l = 23,88 ml
V H 2 theoretisch
2 ⋅ 96.484 C ⋅ mol −1
Messergebnisse:
t=
240 s
V1 =
23 ml
U=
1,587 V
V2 =
24 ml
I=
800 mA
V3 =
23,5 ml
V∅ =
23,5 ml
Damit ergibt sich ein Faraday-Wirkungsgrad von:
ηF =
V H 2 exp erimentell
V H 2 theoretisch
=
23,5 ml
= 0,98
23,88 ml
Der Faraday-Wirkungsgrad drückt aus, wie viel des geflossenen
Stromes in die gewünschte Reaktion umgesetzt wird. Wäre er deutlich
kleiner als eins (100 %), würden im System Nebenreaktionen (z.B.
Korrosion) ablaufen. Das würde die Lebensdauer des Elektrolyseurs
verringern und einen höheren Energieeinsatz notwendig machen.
© Copyright 2000 heliocentris
-29-
Experiment e3
Bestimmung des Energiewirkungsgrades des Elektrolyseurs
Der Energiewirkungsgrad ηE des Elektrolyseurs ist das Verhältnis aus
dem Energieinhalt des erzeugten Wasserstoffs und der eingesetzten
elektrischen Energie.
ηE =
ηE =
Energieinhalt Wasserstoff
elektrische Energie
H 0 H 2 ⋅VH 2 exp erimentell
U ⋅ I ⋅t
Unter dem Heizwert H versteht man die bei der Verbrennung eines
Einheitsvolumens (z.B. 1 m3) eines Gases frei werdende Wärmemenge.
Der obere Heizwert H0 wird angegeben, wenn das bei der Verbrennung
entstehende Wasser im flüssigen Zustand vorliegt. Der obere Heizwert
des Wasserstoffs HOH2 beträgt bei 20 °C 11.920 kJ m-3.
Für unser Beispiel beträgt der Energiewirkungsgrad:
11.920 kJ ⋅ m −3 ⋅ 23,5 ml
ηE =
= 0,92
1,587V ⋅ 0,8 A ⋅ 240 s
Einheiten:
1VAs
1J
1 m3
106 ml
Der Energiewirkungsgrad eines Elektrolyseurs ist spannungsabhängig.
Das hat technische Bedeutung, da mit steigender Spannung die Menge
produzierten Wasserstoffs zunimmt, der Energiewirkungsgrad aber
abnimmt. So muss in der Praxis der optimale Punkt für den Betrieb
gefunden werden. Der Energiewirkungsgrad sollte möglichst hoch sein,
da elektrische Energie teuer ist.
Technische Systeme erreichen einen Energiewirkungsgrad von 90 %,
d.h. sie arbeiten bei geringen Überspannungen (siehe Experiment e1).
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-30-
Experiment e3
Kennlinie der Brennstoffzelle
P b1
Parallel- und Reihenschaltung
Material:
Solarmodul
9 Kabel
Elektrolyseur
2 lange Schläuche
Brennstoffzelle
2 kurze Schläuche
Verbrauchermodul
2 Schlauchklemmen
Strom- und Spannungsmessgeräte
Zusätzliche Komponenten:
Lampe 100-150 Watt
Destilliertes Wasser
Durchführung:
Beachten Sie die Anweisungen aus der Bedienungsanleitung!
Beim Experimentieren Schutzbrille tragen und Zündquellen fernhalten!
Teil 1: Parallelschaltung der Brennstoffzellen
Brennstoffzelle
O2
-
H2
2
Verbrauchermodul
Messgerät
+
1
+
Bild b1a (Spülen):
+
V
A
-
M
R
Elektrolyseur
H2
O2
0
+
ml
20
ml
0
20
40
40
60
60
Solarmodul
Lampe
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-31-
Experiment b1
1.
Bauen Sie eine Anordnung nach Bild b1a auf. Sie können alternativ zum Solarmodul auch ein
Netzteil verwenden, damit die Füllung des Elektrolyseurs schneller geht.
Die Spannung des Netzteils darf 1,8 V und der Strom 3 A nicht überschreiten.
Polung beachten!
2.
Prüfen Sie, ob die Gaszuleitungsschläuche an Elektrolyseur und Brennstoffzelle richtig
angeschlossen sind.
Stellen Sie den Wahlschalter des Verbrauchermoduls auf „OFFEN“.
3.
Stellen Sie sicher, dass beide Gasspeicher am Elektrolyseur etwa bis zur 0 ml-Markierung mit
destilliertem Wasser gefüllt sind und stellen Sie mit dem beleuchteten Solarmodul am
Elektrolyseur einen konstanten Strom ein (zwischen 700 und 900 mA). Sie müssen das
Solarmodul so in Richtung der Lampe ausrichten, dass Sie eine deutliche Gasentwicklung
beobachten (siehe Experiment e1).
4.
Spülen Sie für 5 Minuten das gesamte System aus Elektrolyseur, Brennstoffzelle und Schläuchen
mit den erzeugten Gasen. Stellen Sie anschließend den Wahlschalter des Verbrauchermoduls für
3 Minuten auf 2 Ω. Sie sollten jetzt am Amperemeter einen Strom von etwa 400 mA und am
Voltmeter eine Spannung von etwa 0,75 V beobachten. Stellen Sie nun erneut den Wahlschalter
des Verbrauchermoduls auf „OFFEN“.
Bild b1b (Speichern):
Brennstoffzelle
1
+
O2
H2
2
Sauerstoff aus
Elektrolyseur
5.
-
Schlauchklemmen
Wasserstoff aus
Elektrolyseur
Schließen Sie die beiden kurzen Schläuche an den Auslassöffnungen der Brennstoffzelle mit den
Schlauchklemmen (siehe Bild b1b)
6.
Unterbrechen Sie die Verbindung Solarmodul-Elektrolyseur wenn auf der Wasserstoffseite des
Elektrolyseurs die 60 ml-Markierung erreicht ist.
7.
Messen Sie nun die Kennlinie der Brennstoffzelle durch Variation des Messwiderstandes
(Wahlschalter des Verbrauchermoduls). Beginnen Sie bei „OFFEN“ (Ruhespannung) und gehen
dann nach rechts drehend zu kleineren Widerständen. Nehmen Sie für jede Schalterstellung den
Wert von Strom und Spannung auf. Warten Sie vor dem Ablesen jeweils 30 Sekunden. Tragen
Sie die Werte in die Messtabelle ein. Messen Sie außerdem die Werte bei Betrieb der Lampe.
8.
Stellen Sie nach Aufnahme der Kennlinie den Wahlschalter des Verbrauchermoduls wieder auf
„OFFEN“ und entfernen Sie außerdem die Schlauchklemmen an der Brennstoffzelle.
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-32-
Experiment b1
Teil 2: Reihenschaltung der Brennstoffzellen
Brennstoffzelle
O2
-
H2
2
Verbrauchermodul
Messgerät
+
1
+
Bild b1c (Speichern/Messen):
V
+
A
-
M
R
Schlauchklemmen
Elektrolyseur
H2
O2
0
+
ml
20
ml
0
20
40
40
60
60
Solarmodul
Lampe
Wiederholen Sie die Messungen mit einer Reihenschaltung der Brennstoffzellen gemäß Abb.
b1c.
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-33-
Experiment b1
Auswertung:
1.
Zeichnen Sie die U-I-Kennlinie der Brennstoffzellen in
Parallelschaltung.
2.
Interpretieren Sie die Kennlinie.
3.
Tragen Sie den Wert für die Spannung und die Stromstärke der
Lampe in die U-I-Kennlinie ein.
4.
Zeichnen Sie die Kennlinien für Reihen- und Parallelschaltung in ein
Diagramm und vergleichen Sie beide Kurven.
5.
Zeichnen Sie die P-I-Diagramme für die Parallel- und
Reihenschaltung. Berechnen Sie die Leistungsaufnahme der Lampe
und tragen Sie die Werte in das P-I-Diagramm ein.
Experimentvariationen:
6.
Bei einem weiteren Experiment können Sie den Sauerstoffschlauch
von der Brennstoffzelle abziehen und damit den benötigten
Sauerstoff der Umgebungsluft entnehmen. Der Wasserstoff wird
weiterhin dem Gasspeicher des Elektrolyseurs entnommen.
7.
Messen Sie während des Teils 2 (Reihenschaltung) auch die
Spannungen der beiden Einzelzellen und tragen Sie diese in das
Diagramm (Abb. 2) ein.
8.
Zeichnen Sie einige der Messwiderstände als ohmsche Geraden in
das Spannungs-Strom-Diagramm ein (Abb. 4). Wie groß müsste ein
Widerstand sein, der in Parallelschaltung die gleiche Leistungsentnahme erlaubt wie der 1 Ω-Widerstand in Reihenschaltung?
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-34-
Experiment b1
Messtabelle:
R/Ω
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U/V
I / mA
-35-
P / mW
Experiment b1
Interpretation/Hinweise:
Im ersten Teil des Experiments werden die beiden Einzelzellen der Doppel-Brennstoffzelle parallel
geschaltet. Sie verhalten sich dabei genau so wie eine Zelle mit der doppelten Membranfläche.
Um die Kennlinie der Brennstoffzelle zu verstehen, sollte man sich die Kennlinie des Elektrolyseurs in
Erinnerung rufen (Experiment e1). Die Vorgänge in der Brennstoffzelle sind die Umkehrung der
Elektrolyse. Bei der Elektrolyse von Wasser müssen mindestens 1,23 V aufgebracht werden, damit die
Zersetzung von Wasser beginnt, in der Regel ist die Spannung noch höher (Überspannung).
Bei einer Brennstoffzelle (als galvanische Zelle) wird aus den gleichen Gründen weniger Spannung
erzeugt. Auch hier beeinflussen das Material der Elektroden (Katalyse), der Innenwiderstand, die
Temperatur aber auch die Menge an Wasserstoff und Sauerstoff die zugeführt werden, die Kennlinie.
Bei sehr geringer oder ohne Stromentnahme beträgt die Spannung der Brennstoffzelle ca. 0,9 V. Man
bezeichnet diese Spannung als Ruhespannung (in Analogie zur Batterie). Sie ist bei der
Brennstoffzelle stark von der Menge und der Reinheit der zugeführten Gase abhängig. Je mehr Strom
man der Brennstoffzelle entnimmt, desto kleiner wird die Spannung (Abb. 1).
Durch Berechnung des Produktes aus Strom und Spannung (formal: die Integration) erhält man die
Leistung P der Zelle. Das P-I-Diagramm ist in Abb. 3 gezeigt.
Trägt man den Arbeitspunkt der Lampe in das P-I-Diagramm ein, so ist zu sehen, dass die Lampe
nicht im optimalen Punkt läuft, d.h. Wasserstoff geht hier verloren. Der Brennstoffzelle könnte also
wesentlich mehr Leistung entnommen werden.
In der Praxis ist man bestrebt, die Brennstoffzelle bei möglichst hohem Strom zu betreiben (also bei
hoher Leistung). Bei einem hohen Strom nimmt aber gleichzeitig der Wirkungsgrad ab (siehe Experiment b2), sodass auch hier die Aufgabe besteht einen optimalen Arbeitspunkt (möglichst hoher
Wirkungsgrad bei hoher Leistung) zu finden.
Bei der Reihenschaltung wird ein höheres Spannungsniveau erreicht, die grundsätzliche Form der
Kennlinien verändert sich aber nicht (Abb. 2). Man erreicht in Reihenschaltung in diesem Experiment
eine höhere Leistung, da die Lastwiderstände des Verbrauchermoduls durch die höhere Spannung
eine höhere Leistungsentnahme erlauben.
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-36-
Experiment b1
Abb. 1: Parallelschaltung von zwei Brennstoffzellen
1
0,9
Lampe
Spannung / V
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
500
1000
1500
2000
2500
Strom / mA
Abb. 2: Parallel- und Reihenschaltung von zwei Brennstoffzellen
Spannung / V
2
1,8
Reihenschaltung
1,6
Parallelschaltung
1,4
1,2
Lampe
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
500
1000
1500
2000
2500
Strom / mA
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-37-
Experiment b1
Abb. 3: Leistungskennlinien von zwei Brennstoffzellen
2,5
Reihenschaltung
Leistung / W
2
Parallelschaltung
1,5
1
0,5
0
0
500
1000
1500
2000
2500
Strom / mA
Abb. 4: U-I-Kennlinien von Brennstoffzellen und Messwiderständen
Spannung / V
2
1,8
Reihenschaltung
1,6
Parallelschaltung
1 Ohm
1,4
1,2
0,5 Ohm
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
500
1000
1500
2000
2500
Strom / mA
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-38-
Experiment b1
Faraday- und Energiewirkungs-
P b2
grad der Brennstoffzelle
Material:
Solarmodul
9 Kabel
Elektrolyseur
2 lange Schläuche
Brennstoffzelle
2 kurze Schläuche
Verbrauchermodul
2 Schlauchklemmen
Strom- und Spannungsmessgeräte
Zusätzliche Komponenten:
Lampe 100-150 Watt
Destilliertes Wasser
Durchführung:
Beachten Sie die Anweisungen aus der Bedienungsanleitung!
Beim Experimentieren Schutzbrille tragen und Zündquellen fernhalten!
Bild b2a (Spülen):
Brennstoffzelle
+
1
+
O2
-
H2
2
Verbrauchermodul
Messgerät
+
V
A
-
M
R
Elektrolyseur
H2
O2
0
+
ml
20
ml
0
20
40
40
60
60
Solarmodul
Lampe
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-39-
Experiment b2
1.
Bauen Sie eine Anordnung nach Bild b2a auf. Sie können alternativ zum Solarmodul auch ein
Netzteil verwenden, damit die Füllung des Elektrolyseurs schneller geht.
Die Spannung des Netzteils darf 1,8 V und der Strom 3 A nicht überschreiten.
Polung am Elektrolyseur beachten!
2.
Prüfen Sie, ob die Gaszuleitungsschläuche an Elektrolyseur und Brennstoffzelle richtig
angeschlossen sind. Stellen Sie den Wahlschalter des Verbrauchermoduls auf „OFFEN“.
3.
Stellen Sie sicher, dass beide Gasspeicher am Elektrolyseur etwa bis zur 0 ml-Markierung mit
destilliertem Wasser gefüllt sind und stellen Sie mit dem beleuchteten Solarmodul einen konstanten Strom ein (zwischen 700 und 900 mA). Sie müssen das Solarmodul so in Richtung der Lampe
ausrichten, dass Sie eine deutliche Gasentwicklung beobachten (siehe Experiment e1).
4.
Spülen Sie 5 Minuten das gesamte System mit den erzeugten Gasen. Stellen Sie anschließend
den Wahlschalter des Verbrauchermoduls 3 Minuten auf 2 Ω. Sie sollten jetzt am Amperemeter
einen Strom von etwa 400 mA und am Voltmeter eine Spannung von etwa 0,75 V beobachten.
Stellen Sie nun erneut den Wahlschalter des Verbrauchermoduls auf „OFFEN“.
Bild b2b (Speichern):
Brennstoffzelle
1
+
O2
H2
2
Sauerstoff aus
Elektrolyseur
5.
-
Schlauchklemmen
Wasserstoff aus
Elektrolyseur
Schließen Sie die beiden kurzen Schläuche an den Auslassöffnungen der Brennstoffzelle mit den
Schlauchklemmen (siehe Bild b2b)
6.
Unterbrechen Sie die Verbindung Solarmodul-Elektrolyseur wenn auf der Wasserstoffseite des
Elektrolyseurs die 60 ml-Markierung erreicht ist.
7.
Da das System aufgrund seiner Schläuche und Dichtungen immer eine gewisse Leckrate
aufweist, muss zuerst eine Nullmessung durchgeführt werden. Messen Sie über eine Zeit von 3
Minuten den Verlust an Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher ohne Last (Stellung „OFFEN“)
und bestimmen Sie die Leckrate des Systems in ml Wasserstoff pro Minute.
8.
Stellen Sie nun die Verbindung Solarmodul-Elektrolyseur wieder her, füllen Sie den Wasserstoffspeicher erneut auf 60 ml auf. Anschließend unterbrechen Sie die Spannungsversorgung des
Elektrolyseurs wieder.
9.
Stellen Sie einen Widerstand von 0,3 Ω ein. Messen Sie das Wasserstoffvolumen, das die Brennstoffzelle in 180 s verbraucht. Messen Sie außerdem Strom und Spannung der Brennstoffzelle
und notieren Sie alle Werte. Stellen Sie nach 180 s den Wahlschalter auf „OFFEN“.
10. Wiederholen Sie die Schritte 8 bis 9 noch zweimal und bilden Sie den Mittelwert des durch die
Brennstoffzelle verbrauchten Wasserstoffvolumens. Stellen Sie nach den Messungen den
Wahlschalter auf „OFFEN“ und entfernen Sie die Schlauchklemmen an der Brennstoffzelle.
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-40-
Experiment b2
Auswertung:
1.
Bestimmen Sie die jeweiligen Wasserstoffvolumina.
2.
Bestimmen Sie den Faraday-Wirkungsgrad der Brennstoffzelle.
3.
Bestimmen Sie den Energiewirkungsgrad der Brennstoffzelle.
Experimentvariationen:
Bestimmen Sie den Energiewirkungsgrad in Abhängigkeit vom durch die
Brennstoffzelle fließenden Strom.
Stellen Sie durch Variation des Widerstandes im Verbrauchermodul
Ströme zwischen 400 mA und 2000 mA ein. Passen Sie ggf. die
Messzeit an, damit Sie eine Messung mit einer Füllung der Gasspeicher
durchführen können.
Bestimmen Sie die stromabhängigen Wirkungsgrade und interpretieren
Sie die Ergebnisse. Hinweise zur Interpretation können Sie den
Kursbüchern entnehmen.
Brennstoffzelle ohne Last – Bestimmung der Leckrate
t = 3 min
Wasserstoffverlust aus Speicher
ml
Leckrate des Systems
ml/min
Messtabelle:
R =0,3 Ω t =
s
V1 =
ml
V∅ =
ml
U=
V
V2 =
ml
VKorr=
ml
I=
A
V3 =
ml
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-41-
Experiment b2
Ergebnisse (Beispielmessung):
t = 3 min
Wasserstoffverlust aus Speicher
3 ml
Leckrate des Systems
1 ml/min
Messwerte:
R =0,3 Ω t =
180 s
V1 =
45 ml
V∅ =
47 ml
U=
0,675 V
V2 =
48 ml
VKorr=
44 ml
I=
1,94 A
V3 =
48 ml
Um über 3 Minuten einen Strom von 1,94 A zu liefern, verbraucht die
Brennstoffzelle 44 ml Wasserstoff.
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-42-
Experiment b2
Bestimmung des Faraday-Wirkungsgrades der Brennstoffzelle
Der Faraday-Wirkungsgrad ηF ist das Verhältnis aus dem theoretischen
Wasserstoffverbrauch bei einer bestimmten Stromentnahme aus der
Zelle und dem experimentell bestimmten Wasserstoffverbrauch.
ηF =
V H 2 theoretisch
V H 2 exp erimentell
Der Faraday-Wirkungsgrad sollte möglichst eins (100 %) betragen. Mit
dem 2. Faradayschen Gesetz lässt sich der theoretisch zu erwartende
Wasserstoffverbrauch berechnen.
I ⋅t = n ⋅ z ⋅ F
n=
V
VM
I ⋅ t ⋅V M
V H 2 theoretisch = z ⋅ F
1,94 A ⋅180 s ⋅ 24 l ⋅ mol −1
=
= 43,4 ml (Einh. s. Experiment e3)
V H 2 theoretisch
2 ⋅ 96484 C ⋅ mol −1
Faraday-Wirkungsgrad:
ηF =
V H 2 theoretisch
V H 2 exp erimentell
=
43,4 ml
= 0,98
44 ml
Aus folgenden Gründen kann
Brennstoffzelle unter eins liegen:
der
Faraday-Wirkungsgrad
der
• Lecks im System
• Chemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff an den
Katalysatoren (katalytische Verbrennung)
• Elektrochemische Parallelreaktionen (weitere, unerwünschte Reaktionen, die in der Zelle ablaufen).
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-43-
Experiment b2
Bestimmung des Energiewirkungsgrades der Brennstoffzelle
Der Energiewirkungsgrad ηE der Brennstoffzelle ist das Verhältnis aus
der gewonnenen elektrischen Energie und dem theoretischen
Energieinhalt des verbrauchten Wasserstoffs.
ηE =
elektrische Energie
theor. Energieinhalt Wasserstoff
ηE =
U ⋅ I ⋅t
H 0 H 2 ⋅VH 2 exp erimentell
Unter dem Heizwert H versteht man die bei der Verbrennung eines
Einheitsvolumens (z.B. 1 m3) eines Gases frei werdenden Wärmemenge. Der obere Heizwert H0 wird angegeben, wenn das bei der
Verbrennung entstehende Wasser im flüssigen Zustand vorliegt. Der
obere Heizwert des Wasserstoffs HOH2 beträgt bei 20 °C 11.920 kJ m-3.
ηE =
Einheiten:
0,675 V ⋅1,94 A⋅180 s
= 0,45
11.920 kJ ⋅ m −3 ⋅19 ml
1VAs
1J
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1 m3
106 ml
-44-
Experiment b2
1. Faradaysches Gesetz
P b3
bei der Brennstoffzelle
Material:
Solarmodul
9 Kabel
Elektrolyseur
2 lange Schläuche
Brennstoffzelle
2 kurze Schläuche
Verbrauchermodul
2 Schlauchklemmen
Strom- und Spannungsmessgeräte
Zusätzliche Komponenten:
Lampe 100-150 Watt
Destilliertes Wasser
Durchführung:
Beachten Sie die Anweisungen aus der Bedienungsanleitung!
Beim Experimentieren Schutzbrille tragen und Zündquellen fernhalten!
Bild b3a (Spülen):
Brennstoffzelle
+
1
+
O2
-
H2
2
Verbrauchermodul
Messgerät
V
+
A
-
M
R
Elektrolyseur
H2
O2
0
+
ml
20
ml
0
20
40
40
60
60
Solarmodul
Lampe
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-45-
Experiment b3
1.
Bauen Sie eine Anordnung nach Bild b3a auf. Sie können alternativ zum Solarmodul auch ein
Netzteil verwenden, damit die Füllung des Elektrolyseurs schneller geht.
Die Spannung des Netzteils darf 1,8 V und der Strom 3 A nicht überschreiten.
Polung am Elektrolyseur beachten!
2.
Prüfen Sie, ob die Gaszuleitungsschläuche an Elektrolyseur und Brennstoffzelle richtig
angeschlossen sind. Stellen Sie den Wahlschalter des Verbrauchermoduls auf „OFFEN“.
3.
Stellen Sie sicher, dass beide Gasspeicher am Elektrolyseur etwa bis zur 0 ml-Markierung mit
destilliertem Wasser gefüllt sind und stellen Sie mit dem beleuchteten Solarmodul einen konstanten Strom ein (zwischen 700 und 900 mA). Sie müssen das Solarmodul so in Richtung der Lampe
ausrichten, dass Sie eine deutliche Gasentwicklung beobachten (siehe Experiment e1).
4.
Spülen Sie 5 Minuten das gesamte System mit den erzeugten Gasen. Stellen Sie anschließend
den Wahlschalter des Verbrauchermoduls 3 Minuten auf 2 Ω. Sie sollten jetzt am Amperemeter
einen Strom von etwa 400 mA und am Voltmeter eine Spannung von etwa 0,75 V beobachten.
Stellen Sie nun erneut den Wahlschalter des Verbrauchermoduls auf „OFFEN“.
Bild b3b
(Speichern der Gase und Messung des 1. Faradayschen Gesetzes an der
Brennstoffzelle)
Brennstoffzelle
+
1
+
O2
-
H2
2
Verbrauchermodul
Messgerät
V
+
A
-
M
R
Schlauchklemmen
Elektrolyseur
H2
O2
0
+
ml
20
ml
0
20
40
40
60
60
Solarmodul
Lampe
© Copyright 2000 heliocentris
-46-
Experiment b3
5.
Schließen Sie die beiden kurzen Schläuche an den Auslassöffnungen der Brennstoffzelle mit den
Schlauchklemmen (siehe Bild b3b)
6.
Unterbrechen Sie die Verbindung Solarmodul-Elektrolyseur wenn auf der Wasserstoffseite des
Elektrolyseurs die 60 ml-Markierung erreicht ist.
7.
Da das System aufgrund seiner Schläuche und Dichtungen immer eine gewisse Leckrate
aufweist, muss zuerst eine Nullmessung durchgeführt werden. Messen Sie über eine Zeit von 3
Minuten den Verlust an Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher ohne Last (Stellung „OFFEN“)
und bestimmen Sie die Leckrate des Systems in ml Wasserstoff pro Minute.
8.
Stellen Sie nun die Verbindung Solarmodul-Elektrolyseur wieder her, füllen Sie den Wasserstoffspeicher erneut auf 60 ml auf. Anschließend unterbrechen Sie die Spannungsversorgung des
Elektrolyseurs wieder.
9.
Stellen Sie nun zur Bestimmung des 1. Teils des Faradayschen Gesetzes einen Widerstand von
0,5 Ω ein. Messen Sie das Wasserstoffvolumen, das die Brennstoffzelle in unterschiedlichen
Zeiten (60 bis 240 s in 60 s-Schritten) verbraucht [Messtabelle 1]. Messen Sie außerdem den
Strom der Brennstoffzelle und notieren Sie alle Werte. Stellen Sie anschließend den Wahlschalter
auf „OFFEN“.
10. Stellen Sie nun die Verbindung Solarmodul-Elektrolyseur wieder her, füllen Sie den Wasserstoffspeicher erneut auf 60 ml auf. Anschließend unterbrechen Sie die Spannungsversorgung des
Elektrolyseurs wieder.
11. Stellen Sie zur Bestimmung des 2. Teils des Faradayschen Gesetzes mit dem Wahlschalter des
Verbraucher-Moduls nacheinander unterschiedliche Ströme über Widerstände von 3, (2), 1, (0,5)
und 0,3 Ω ein. Die Messzeit sollte 180 s betragen.
12. Stellen Sie nach den Messungen den Wahlschalter wieder auf „OFFEN“ und entfernen Sie die
Schlauchklemmen an der Brennstoffzelle.
13. Korrigieren Sie die gemessenen Volumina um die Leckrate.
© Copyright 2000 heliocentris
-47-
Experiment b3
Messtabellen:
Bestimmung der Leckrate
t = 3 min
Wasserstoffverlust aus Speicher
ml
Leckrate des Systems
[1] Zeitabhängigkeit
I=
t/s
ml/min
[2] Stromabhängigkeit
mA = konstant
t=
VH2 / ml VH2-Leckrate
I / mA
s = konstant
VH2 / ml VH2-Leckrate
Auswertung:
1.
Stellen Sie die Messdaten aus Tabelle 1 und 2 (Volumen über Zeit
und Volumen über Stromstärke) grafisch dar.
2.
Untersuchen Sie den Zusammenhang zwischen dem Volumen des
abgeschiedenen Wasserstoffs und der transportierten Ladung
(1. Faradaysches Gesetz).
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-48-
Experiment b3
Zeitabhängigkeit des Wasserstoffverbrauchs
50
Volumen V / ml
40
I = 1250 mA
30
20
10
0
0
50
100
150
200
250
Messzeit t / s
Stromabhängigkeit des Wasserstoffverbrauchs
50
t = 180 s
Volumen V / ml
40
30
20
10
0
0
500
1000
1500
2000
Strom I / mA
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-49-
Experiment b3
1. Faradaysches Gesetz
Aus Grafik 1 ist zu erkennen, dass das Wasserstoffvolumen (bei
konstanter Stromstärke) der Zeit proportional ist.
V∝ t
Aus Grafik 2 ist eine Proportionalität des Wasserstoffvolumens mit der
Stromstärke (bei konstanter Messzeit) zu erkennen.
V∝ I
Wenn V ∝ t und V ∝ I ist, dann gilt:
V∝ I⋅ t
mit I ⋅ t = Q (elektrische Ladung) folgt:
V ∝ Q.
Die Beziehung von V zum molaren Volumen Vm
V = n ⋅ Vm
leitet schließlich zum 1. Faradayschen Gesetz über:
Die elektrolytisch abgeschiedene Stoffmenge n
ist der Zeit t und der Stromstärke I,
also der transportierten elektrischen Ladung Q proportional ( n ∝ Q ).
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-50-
Experiment b3
Wasser = 2 Teile Wasserstoff
P g1
+ 1 Teil Sauerstoff
Material:
Solarmodul
6 Kabel
Elektrolyseur
2 lange Schläuche
Brennstoffzelle
2 kurze Schläuche
Verbrauchermodul
2 Schlauchklemmen
Lampe 100-150 Watt
Zusätzliche Komponenten:
Destilliertes Wasser
Durchführung:
Beachten Sie die Anweisungen aus der Bedienungsanleitung!
Beim Experimentieren Schutzbrille tragen und Zündquellen fernhalten!
Bild g1a (Spülen):
Verbrauchermodul
Brennstoffzelle
M
1
+
O2
-
H2
2
R
Elektrolyseur
H2
O2
0
+
ml
20
ml
0
20
40
40
60
60
Solarmodul
Lampe
© Copyright 2000 heliocentris
-51-
Experiment g1
1.
Bauen Sie eine Anordnung nach Bild g1a auf. Sie können alternativ zum Solarmodul auch ein
Netzteil verwenden, damit die Füllung des Elektrolyseurs schneller geht.
Die Spannung des Netzteils darf 1,8 V und der Strom 3 A nicht überschreiten.
Polung am Elektrolyseur beachten!
2.
Prüfen Sie, ob die Gaszuleitungsschläuche an Elektrolyseur und Brennstoffzelle richtig
angeschlossen sind. Stellen Sie den Wahlschalter des Verbrauchermoduls auf „OFFEN“.
3.
Stellen Sie sicher, dass beide Gasspeicher am Elektrolyseur bis zur 0 ml-Markierung mit
destilliertem Wasser gefüllt sind und stellen Sie mit dem beleuchteten Solarmodul einen konstanten Strom ein (zwischen 700 und 900 mA). Sie müssen das Solarmodul so in Richtung der Lampe
ausrichten, dass Sie eine deutliche Gasentwicklung beobachten (siehe Experiment e1).
4.
Spülen Sie 5 Minuten das gesamte System mit den erzeugten Gasen. Stellen Sie anschließend
den Wahlschalter des Verbrauchermoduls auf 2 Ω. Sie sollten jetzt am Amperemeter einen Strom
von etwa 400 mA und am Voltmeter eine Spannung von etwa 0,75 V beobachten. Stellen Sie nun
erneut den Wahlschalter des Verbrauchermoduls auf „OFFEN“.
Bild g1b (Speichern)
Brennstoffzelle
1
+
O2
H2
2
Sauerstoff aus
Elektrolyseur
5.
-
Schlauchklemmen
Wasserstoff aus
Elektrolyseur
Schließen Sie die beiden kurzen Schläuche an den Auslassöffnungen der Brennstoffzelle mit den
Schlauchklemmen (siehe Bild g1b)
6.
Unterbrechen Sie die Verbindung Solarmodul-Elektrolyseur, wenn auf der Wasserstoffseite des
Elektrolyseurs die 60 ml-Markierung erreicht ist. Bestimmen Sie auch das in dieser Zeit erzeugte
Sauerstoffvolumen.
7.
Stellen Sie anschließend den Wahlschalter des Verbrauchermoduls auf 0,5 Ω. Es fließt ein Strom,
die Brennstoffzelle verbraucht den gespeicherten Wasserstoff.
8.
Unterbrechen Sie bei Erreichen der 0 ml-Markierung auf der Wasserstoffseite die elektrische
Verbindung, indem Sie den Wahlschalter auf „OFFEN“ stellen. Die Brennstoffzelle hat nun den
gesamten Wasserstoff (60 ml) verbraucht. Bestimmen Sie den Sauerstoffverbrauch.
9.
Entfernen Sie die Schlauchklemmen an der Brennstoffzelle.
© Copyright 2000 heliocentris
-52-
Experiment g1
Messtabelle:
Wasserzersetzung
im Elektrolyseur
Verbrauch der
Brennstoffzelle
Volumen Wasserstoff
ml
ml
Volumen Sauerstoff
ml
ml
Auswertung:
1.
Bestimmen Sie die jeweiligen Gasvolumina.
2.
Bestimmen Sie das Verhältnis der bei der Elektrolyse freigesetzten
Gase.
3.
Bestimmen Sie das Verhältnis der von der Brennstoffzelle
verbrauchten Gase.
Interpretation/Hinweise:
Mit Hilfe der durchgeführten Experimente am Elektrolyseur kann die
Zersetzung von Wasser in 2 Teile Wasserstoff und 1 Teil Sauerstoff
demonstriert werden:
2H2O
→ 2H2 + O2
In der Brennstoffzelle läuft die Umkehrung der Elektrolysereaktion ab,
d.h. die während der Elektrolyse gespeicherten Gase werden wieder zu
Wasser umgesetzt:
2H2 + O2
→ 2H2O
Damit wurde der Nachweis erbracht, dass diese Reaktion umkehrbar ist.
Bei der ersten Reaktion (Elektrolyse) muss elektrische Energie
aufgewendet werden, bei der zweiten Reaktion (Brennstoffzelle) wird
elektrische Energie frei. Insgesamt ist ein solcher Zyklus mit Verlusten
verbunden, d.h. der Wirkungsgrad ist kleiner als eins.
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Experiment g1
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