Protokoll Kapitel 7 Brennstoffzelle PDF

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Protokoll für LU...

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07.09.2020

LU aus Umweltphysik

LACKNER, Gruppe 7

Beispiel 7 Brennstoffzelle Inhaltsverzeichnis Aufgabenstellung ....................................................................................................................... 2 Voraussetzungen und Grundlagen ............................................................................................. 2 Verwendete Formeln: ................................................................................................................ 2 Versuchsanordnung ................................................................................................................... 3 Geräteliste .................................................................................................................................. 3 Versuchsdurchführung ............................................................................................................... 4 Auswertung ................................................................................................................................ 7 Diskussion ................................................................................................................................... 7 Zusammenfassung ...................................................................................................................... 8 Literatur ...................................................................................................................................... 8

Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Schematischer Versuchsaufbau der Brennstoffzelle ............................................ 3 Abbildung 2: Zeitverhalten der Brennstoffzelle ......................................................................... 4 Abbildung 3: Strom-Spannungskennlinie über den gesamten Bereich ..................................... 5 Abbildung 4: Strom-Spannungskennlinie und Leistungskurve .................................................. 5 Abbildung 5: Fit des H2 Flows gegen den Strom........................................................................ 6 Abbildung 6: Elektrischer Wirkungsgrad gegen Leistung und H2 Flow ...................................... 6

Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Einheiten und Benennungen ..................................................................................... 2 Tabelle 2: Geräteliste ................................................................................................................. 3 Tabelle 3: Parameter für die Buttler-Volmer-Gleichung ............................................................ 7

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Aufgabenstellung a) Untersuchung des dynamischen Zeitverhaltens b) Messung der U-I-Kennlinie c) Auswertung der Kennlinie und Bestimmung der charakteristischen Parameter d) Bestimmung der Leistungskurve e) Bestimmung des Faraday-Wirkungsgrads f) Bestimmung des elektrischen Leistungswirkungsgrad g) Einfluss der H2-Versorgung

Voraussetzungen und Grundlagen Tabelle 1: Einheiten und Benennungen

Kürzel

Bedeutung Stromstärke Spannung Volumen Zeit Bolzmannkonstante Elementarladung Druck Widerstand

I U V t kB e p R z F NA HB HH T

NA*e Avogadro Zahl Brennwert Wasserstoff Heizwert Wasserstoff Temperatur

Einheit A V m3 s JK-1 As Nm-2 Pa Ω

[] As mol-1 mol-1 12,7 MJm-3 10,8MJm-3 K

Verwendete Formeln: •

Buttler Volmer:

𝐼𝑠𝑖𝑚 = •

𝐼0 (𝑒

𝛼𝑧𝐹(𝑈−𝐼𝑚𝑒𝑠𝑅𝑖 −𝑈0 ) 𝑅𝑇

𝛼𝑧𝐹(𝑈−𝐼𝑚𝑒𝑠𝑅𝑖−𝑈0 ) 𝐼 𝑅𝑇 1+𝐼 0 𝑒 𝑑𝑏

󰇗 (1−𝛼)𝑧𝐹(𝑈−𝐼𝑚𝑒𝑠𝑅𝑖−𝑈0 ) 𝑅𝑇 −𝑒

)

(1−𝛼)𝑧𝐹(𝑈−𝐼𝑚𝑒𝑠𝑅𝑖 −𝑈0 ) 𝐼 𝑅𝑇 −𝐼 0 𝑒 𝑑𝑓

Gl. (1)

Tafel-Gleichung Elektrolyse: U(I) ≅ 𝑈0 + 𝐼𝑅𝑖 −

𝑅𝑇 ln |𝐼| (1−𝛼)𝑧𝐹 𝐼0 (1− 𝐼 ) 𝐼

Gl. (2)

𝑑𝑓

•

Elektrische Leistung:

𝑃𝑒𝑙 = 𝑈 ∗ 𝐼

Gl. (3)

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•

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Ad e) (bei Standartbedingungen: T0= 0°C= 273,15K und p0= 1013,25mBar): I𝐹

=

𝑧𝑒𝑁 𝑡

𝑁

=

𝑝𝑉

𝑡

•

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𝑘𝐵 𝑇𝑡

Gl. (4)

=

𝑉𝑝0 𝑡𝑘𝐵 𝑇0

; 𝜂𝐹 =

𝐼

=

𝐼𝐹

𝑘𝐵 𝑇0 𝐼 𝑧𝑒𝑝0

𝑉 𝑡

Gl. (5)

Ad f):

𝜂𝑒𝑙 =

𝑃𝑒𝑙

𝑉 𝐻𝐵 ∗ 𝑡

𝑜𝑑𝑒𝑟 𝜂𝑒𝑙 =

𝑃𝑒𝑙

𝑉 𝑡

𝐻𝐻 ∗

Gl. (6)

Brennwert Wasserstoff: HB=12,7MJ/m3, Heizwert Wasserstoff: HH=10,8MJ/m3 bei T0= 0°C = 273,15K und p0= 1013,25mBar

Versuchsanordnung

Abbildung 1: Schematischer Versuchsaufbau der Brennstoffzelle

Geräteliste Tabelle 2: Geräteliste

Gerät 1 2

Brennstoffzelle Paxi Tech Druckgasflaschen für Sauerstoff und Wasserstoff Versorgung

3 4

Massflow-Controller Kepco Netzgerät

5 6

Computer USBUTC für Temperaturmessung

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Versuchsdurchführung Aufgabe a): Zur Untersuchung des dynamischen Zeitverhaltens wurde die Brennstoffzelle gemeinsam mit dem Betreuer in Betrieb genommen. Im Computerprogramm Prj_PowerSupply.exe können alle notwendigen Parameter eingestellt werden. Zuerst wird der Flowvon H2 und O2 eingestellt. Danach wird das Programm ohne Strombelastung gestartet. Sobald sich das Verhalten der Zelle stabilisiert hat, wird eine Belastung zugeschalten, welche auch über das Computerprogramm eingestellt wird.

Zeitverhalten 12 10

Menge

8 6 4 2 0 -2 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

Zeit Zeitverhalten Spannung in V

Zeitverhalten Strom in A

Zeitverhalten H2-Versorgung in sccm

Abbildung 2: Zeitverhalten der Brennstoffzelle

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Aufgabe b): Für die Strom-Spannungskennlinie wird der IU-trace im Programm aktiviert. Über den gesamten Bereich ergibt sich folgender Zusammenhang:

U(I)-Kennlinie mit phenomenologische Gleichung 0,2 0

Strom [A]]

-0,2 -0,4 -0,6

U(I) Messwerte

-0,8

U(I) phenomenologische Gleichung

-1 -1,2 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Spannung [V]

Abbildung 3: Strom-Spannungskennlinie über den gesamten Bereich

Aufgabe c): Für die Auswertung der Kennlinie wird im Programm selbst eine Berechnung der Buttler-Volmer Gleichung vorgenommen. Dabei werden die vorgefertigten Parameter so angepasst, dass die daraus entstehende Funktion möglichst gut die Kennlinie abbildet. Aufgabe d): Zur Bestimmung der Leistungskurve wurde aus dem Datensatz zusätzlich zur Strom-Spannungs Kennlinie auch die Leistungskurve abgebildet, was in Abbildung 4 ersichtlich ist:

U-I-Kennlinie mit Pel 0,2

Strom

0 -0,2

0,35 0,3

-0,4

0,25 0,2

-0,6

0,15 0,1 0,05

-0,8 -1

elektrische Leistung

0,45 0,4

0 -0,05

-1,2 0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

Spannung I/A

P/W

Poly. (I/A)

Abbildung 4: Strom-Spannungskennlinie und Leistungskurve

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Aufgabe e): Zur Bestimmung des Farady-Wirkungsgrades muss zuerst der H2-Flow, welcher in cm3/min angegeben ist, in SI-Einheiten [m3/s] umgewandelt werden. Dafür wird er einfach mit 10-6*60 multipliziert. Der Flow selbst ergibt sich aus der Steigung der Kennlinie des H2-Flows gegen den Strom. Dies ist in Abbildung 5 zu sehen:

Faradyscher Wirkungsgrad

Faraday-Wirkungsgrad 5E-21 4E-21 3E-21 2E-21 1E-21 0 -1,2

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

Strom [A] Faraday-Wirkungsgrad

Abbildung 5: Fit des H2 Flows gegen den Strom

Aufgabe f): Für diese Aufgabe wurde zuerst eine neue Spalte erstellt, in welcher der elektrische Wirkungsgrad mithilfe von Formel 6 errechnet wurde, dafür wurde der H2-Flow wie in Aufgabe e beschrieben in SI-Einheiten umgewandelt. Außerdem wurde HB aus Tabelle 1 verwendet. Diese Werte wurden gegen die Leistung und den H2-Flow in sccm abgebildet, was in Abbildung 6 ersichtlich ist:

8 7 6 5 4 3 2 1 0

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -0,1 -1,2

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

elektrischer Wirkungsgrad

H2-Flow [sccm/A]

H2-Verbrauch und elek. Wirkungsgrad

Strom [A] Wasserstoffverbrauch Linear (Wasserstoffverbrauch)

elektrischer Wirkungsgrad y = -7,0122x + 0,3224

Abbildung 6: Elektrischer Wirkungsgrad gegen Leistung und H2 Flow

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Auswertung Aufgabe c): Folgende Parameter führten zum besten Ergebnis, wenn sie in Formel 1 eingesetzt wurden, um den Verlauf der Strom-Spannungs Kennlinie darzustellen: Tabelle 3: Parameter für die Buttler-Volmer-Gleichung

Parameter U0 I Ri T α z Idb Idf Rp

Einstellung 1,23 2*10-7 0,83 313,15 0,53 2 1 1,62 17

Aufgabe d): Die Leistungskurve ist über den Zusammenhang aus Formel 4 direkt proportional zu Strom und Spannung. Sie erscheint hier negativ, weil der Strom negativ bezeichnet wurde. Aufgabe e): Für den Faraday-Wirkungsgrad wurde die Steigung in SI-Einheiten des linearen Fits aus Abbildung 5 verwendet. In Formel 5 wurden dann die Werte für kB=1,38*10-23 J/K, T0=273,15K, z=2, e=1,6*10-19 As, p0=101325Pa, I=1A und V/t=1,2*10-7m3/s eingesetzt. Dies ergibt einen Faraday Wirkungsgrad von ηF=0,9688.

Diskussion Bei der Betrachtung des dynamischen Zeitverhaltens der Brennstoffzelle fällt auf, dass bei einer Erhöhung der Stromabnahme eine langsame Stabilisation der Spannung passiert, wohingegen bei einer Verringerung eine plötzlicher Spannungsüberschuss passiert, der dann langsam wieder ausläuft. Am Beginn der Strom-Spannungs-Kennlinie aus Aufgabe b bemerkt man, dass bei hohen Strömen (in Richtung 1A) ein lineares Strom-Spannungsverhalten vorliegt, erst wenn man in den Bereich von sehr geringen Strömen und dementsprechend höheren Spannungen kommt, flacht sich der Verlauf ab. Die höchste Leistung weist die Brennstoffzelle im mittleren Belastungsbereich auf, was in Abbildung 4 erkennbar ist, liegen entweder kein Strom oder keine Spannung vor, so ist auch die Leistung aufgrund des P=U*I Zusammenhangs sehr gering. In dem Bereich der höchsten Leistung ist auch der H2 Flow am größten, ersichtlich in Abbildung 6. Die Erklärung hierfür ist jene, dass H2 als Energielieferant alleinig für die Leistung verantwortlich ist. Der elektrische Wirkungsgrad ist in jenen Bereichen am höchsten, wo entweder ganz wenig H2 zur Verfügung steht, oder im idealen Betriebsbereich der Brennstoffzelle, in diesem Fall bei ca -0,5A. Seite 7/8

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Zusammenfassung ηF=0,9688

Literatur Als Quellen dienten: •

Das Skriptum „Praktikumsbeispiel Nr. 7: Brennstoffzelle“

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