fachbereich ingenieurwissenschaften und mathematik
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Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Mathematik
Praktikum Dezentrale Energiesysteme
DEZ 1 Brennstoffzellen
Lehrgebiet Regenerative Energiesysteme und Elektrotechnik
Prof.-Dr.-Ing. Jens Haubrock
Inhalt
1 Einleitung ......................................................................................................................................... 1
2 Grundprinzip der PEM Brennstoffzelle............................................................................................ 2
2.1 Aufbau ..................................................................................................................................... 2
2.2 Funktionsweise ........................................................................................................................ 3
2.3 Spannungs-Strom-Kennlinie .................................................................................................... 4
2.4 Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ........................................................................................... 5
3 Versuchsdurchführung .................................................................................................................... 7
3.1 Aufnahme der U-J-Kennlinie ................................................................................................... 7
4 Versuchsauswertung ....................................................................................................................... 9
4.1 Darstellen der U-J-Kennlinie .................................................................................................... 9
Einleitung
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1 Einleitung
Derzeit wird weltweit der Großteil an Energie durch fossile Brennstoffe, wie Kohle, Erdöl und Erdgas
erzeugt. Da diese Quellen nicht unbegrenzt vorhanden sind und die Erzeugung von Energie einen
hohen Schadstoffausstoß mit sich bringt, wird nach Alternativen zur konventionellen
Energieerzeugung gesucht. Erneuerbare Energien wie Wind, Solar und Wasser stellen die Lösung für
eine CO2-freie und unerschöpfliche Energiegewinnung dar. Deswegen wird der Ausbau regenerativer
Energien weiter vorangetrieben. Die Abhängigkeit vom Wetter und damit eine Unregelmäßige
Energieerzeugung stellt die Energiekonzerne aber vor eine weitere Aufgabe und die Frage: Wie kann
man Energie am sinnvollsten speichern?
Eine Möglichkeit ist die Speicherung von Energie in Wasserstoff. Hierbei wird durch eine chemische
Reaktion mit Sauerstoff elektrische Energie frei. Dieses Prinzip entdeckte Christian Friedrich
Schönbein bereits 1839. Drei Jahre später entwickelte Sir William Grove die erste Brennstoffzelle
(Gaszelle) durch Reihenschaltung mehrerer Einzelzellen. Durch die Entdeckung des
elektrodynamischen Prinzips und den Bau großer Generatoren, geriet die Brennstoffzelle vorerst in
Vergessenheit. Die ersten Anwendungen der Brennstoffzelle ergaben sich erst in den Sechzigern des
20. Jahrhunderts in der Raumfahrt und beim Militär in Unterseebooten.
Aufgrund ihrer Vorteile wie, z.B. :
• hoher elektrischer Wirkungsgrad in weiten Lastbereichen (einige mW bis mehrere MW)
• bei Wasserstoffbetrieb keine Emissionen
• Bei Einsatz von Kohlenwasserstoffen und einer vorgelagerten Brennstoffaufbereitung nur
sehr geringe Emissionen
• hoher Gesamtwirkungsgrad bei Abwärmenutzung
• einfache Leistungsanpassung durch modularen Aufbau
• mechanisch einfache Systeme ohne bewegte Teile
• eine hohe Energiedichte [J/kg]
• geräuscharmer Betrieb
können Brennstoffzellen bald aber eine wesentliche Rolle im stationären sowie mobilen Einsatz
spielen, wie z.B. zur dezentralen Energieversorgung eines Hauses oder beim Antrieb eines Pkws.
In diesem Versuch werden Ihnen praktische Erfahrungen mit der Polymermembran-Brennstoffzelle
vermittelt. Sie erlernen grundlegendes Wissen über den Aufbau und die Funktionsweise von
Brennstoffzellen und erfassen die Abhängigkeit von den einzelnen Betriebsparametern der PEMFC
bei der Stromerzeugung.
Grundprinzip der PEM Brennstoffzelle
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2 Grundprinzip der PEM Brennstoffzelle
Die Brennstoffzelle nutzt die Reaktionsenergie die entsteht, wenn ein zugeführter Brennstoff (z.B.
Wasserstoff) auf ein Oxidationsmittel (Sauerstoff/Luft) stößt und wandelt dieses in elektrische
Energie um. Da der Prozess einer Verbrennungsreaktion ähnelt, aber keine Verbrennung im
eigentlichen Sinne stattfindet, bezeichnet man es als „kalte Verbrennung“.
2.1 Aufbau
Wie in Abbildung 2.1 zu sehen, besteht die PEM Brennstoffzelle aus 2 Elektroden, die durch eine
Polymerelektrolytmembran voneinander getrennt sind.
Das Herzstück der PEMFC (engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cell) ist die Membran-Elektroden
Einheit (MEE). Sie besteht aus einer protonenleitfähigen Kunstoffmembran die mit den Elektroden
verpresst wird. Die aus dünnen Kohlenstoffpapier bestehenden Elektroden sind mit einer feinen
Platinschicht besprüht. Das Platin dient hierbei als Katalysator. Für eine Optimale Verteilung und
Heranführung der beiden Reaktionsgase, werden zusätzlich noch sogenannte Gasdiffusionslagen an
die Elektrotden angepresst. Die ganze Einheit ist von Bipolarplatten umschlossen. Sie dienen der
elektrischen Kontaktierung von Anode und Kathode benachbarter Zellen beim bilden eines Stack und
sind zusätzlich für die Zufuhr der Reaktionsgase und Abfuhr der Reaktionsprodukte zuständig (siehe
Abbildung 2.2).
Da die Polymermembran durch das Verpressen, teilweise in die poröse Elektrodenstruktur
hineinragt, entsteht an dieser Stelle eine Drei-Phasen-Grenzfläche. Dort findet die Reaktion zwischen
Gas, Wasser und dem Katalysator statt.
Abbildung 2.1 Darstellung des Prinzips der Brennstoffzelle
Grundprinzip der PEM Brennstoffzelle
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2.2 Funktionsweise
Bei der PEMFC wird einer Elektrode (Anode) Wasserstoff zugeführt. Der Katalysator oxidiert das
Wasserstoffmolekül in 2 Wasserstoffionen und 2 Elektronen.
�� ↔ 2�� � 2�
(1)
Die an der Wasserstoffelektrode erzeugten Protonen können nun in den Elektrolyten übertreten und
hinterlassen Elektronen in der Anode, die dadurch ein negatives Potenzial annimmt. Der Sauerstoff
wird der Kathode zugeführt und bildet mit den Wasserstoffprotonen und den im Platin vorhandenen
Elektronen Wasser. Die Kathode nimmt nun ein positives Potential an. Verbindet man die beiden
Elektroden, fließen die Elektronen von der Anode zur Kathode. Dort dissoziieren die
Sauerstoffmoleküle (O2) und nehmen die Elektronen der Anode auf (Reduktion). Die Sauerstoffionen
können mit den Protonen des Elektrolyten zu Wasser (H2O) reagieren.
12� �� � 2�
� � 2� ↔ ���
(2)
Um die elektrische Arbeit nutzen zu können, werden Anode und Kathode an einen elektrischen
Verbraucher angeschaltet. Die nun freiwerdende Energie liegt in Form von Wärme und Elektrizität
vor. Als Gesamtreaktion ergibt sich:
12� �� ��� ↔ ��� � ������
(3)
Der Stoff- und Energieumsatz lässt sich über den Massenstrom von Wasserstoff und Sauerstoff oder
durch die elektrische Belastung beeinflussen.
Die gelieferte Spannung ist vom Brennstoff, von der Qualität der Zelle und von der Temperatur
abhängig und liegt theoretisch bei 1,23V bei einer Temperatur von 25°C. In der Praxis liegen die
Spannungen jedoch, abhängig von der Belastung der Zelle, etwa bei 0,9V bis 1V. Für größere
Spannungen werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet (Stack).
Abbildung 2.2 Schematischer Aufbau einer PEMFC
Grundprinzip der PEM Brennstoffzelle
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2.3 Spannungs-Stromdichte-Kennlinie
Abbildung 2.3 zeigt die Abhängigkeit der Spannung von der Stromdichte. In der U-J-Kennlinie sind die
einzelnen Spannungsverluste gut zu erkennen. Im Folgenden werden diese Verluste näher erklärt.
Reversible Zellspannung:
Durch die Reaktion des in der Brennstoffzelle umgesetzten Wasserstoffes entsteht Wärme- bzw.
Elektrische Energie, dies wird als freie Reaktionsenthalpie ΔH bezeichnet. Könnte man die ganze
Reaktionsenthalpie in Elektrizität umwandeln so könnte man mit einer Zelle eine thermoneutrale
Spannung von Uth = 1,481V erzeugen.
��� � �
∆�
� ∗ �
(4)
Abbildung 2.3 U-J-Kennlinie der PEMFC
Grundprinzip der PEM Brennstoffzelle
Seite 5
Da aber nicht alles in elektrische Energie umgesetzt werden kann, muss von der freien
Reaktionsenthalpie die Wärmeenergie abgezogen werden. Daraus entsteht die reversible
Zellspannung URev = 1,23V.
���� � �
∆� − � ∗ ∆�
� ∗ �= −
∆�
� ∗ �
(5)
Ruhespannungsverluste:
Die Ideale Spannung URev liegt im Leerlauf vor. Der theoretische Wert von 1,23V wird aber nie
erreicht, da Spannungsverluste z.B. bei Reaktionshemmungen oder ungenügender Gasdiffusion
auftreten. Deswegen liegt die Zellspannung U0 im Leerlauf bei Werten zwischen 0,9V bis 1V.
Elektrokinetischer Bereich:
Ist ein Bereich in dem nur kleine Zellströme vorherrschen. Die Spannungsverluste die hierbei
entstehen sind Aktivierungsverluste, die nötig sind damit die Wasserstoffmoleküle am Katalysator
Elektronen abgeben und Protonen bilden.
Ohmscher Bereich:
Die ohmschen Verluste sind größtenteils auf den Spannungsfall an der Membran und den Kontakten
der Brennstoffzelle bzw. dem Elektronenleiter zurückzuführen.
Diffusionskontrollierter Bereich:
Wenn der Wasserstoff- bzw. Sauerstoffgehalt abnimmt, entstehen Konzentrationsverluste. Die
Spannung fällt stark ab, dieser Zustand gleicht einem Kurzschluss.
U(Igrenz) = 0
(6)
2.4 Wirkungsgrad der Brennstoffzelle
Bei der Brennstoffzelle muss man zwischen den folgenden Arten der Bestimmung vom Wirkungsgrad
unterscheiden:
Thermodynamischer Wirkungsgrad
Der thermodynamische Wirkungsgrad ηth gibt das Verhältnis der maximal nutzbaren elektrischen
Energie (Heizwert) zur gesamten chemischen Energie (freie Reaktionsenthalpie) an.
η!" =
∆G
∆H
(7)
Bei den Reaktanden Wasserstoff und Sauerstoff liegt der Wirkungsgrad unter Standardbedingungen
bei 83,2% mit ΔGHo = -237,13 %&
'() (flüssiges Produktwasser) und bei 94,5% mit ΔGHu = -228,57
%&
'()
(gasförmiges Produktwasser). Der thermodynamische Wirkungsgrad beschreibt das System im
Gleichgewichtszustand, wenn noch kein Strom fließt und ist ein rein theoretischer Wert.
Grundprinzip der PEM Brennstoffzelle
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Elektrischer Wirkungsgrad
Der elektrische Wirkungsgrad ηelekt beschreibt das Verhältnis von der nutzbaren elektrischen Energie
zur eingesetzten chemischen Energie. Hierbei muss die Zellspannung Uzell durch die thermoneutrale
Spannung Uth gerechnet werden.
*�)�%� �
�+�))U!"
��� ∗ �
Δ�∗ �+�))
(8)
Spannungswirkungsgrad
Der Spannungswirkungsgrad ηU ist das Verhältnis von Zellspannung zur reversiblen Zellspannung.
*. =
�+�))
����=−
� ∗ �
Δ�∗ �+�))
(9)
Stromwirkungsgrad
Der Stromwirkungsgrad ηI berechnet sich aus dem gemessenen Zellstrom IZell durch dem theoretisch
möglichen Strom Ith.
*/ =
0+�))
0��
(10)
wobei 0�� =
123 ∗ � ∗ �
1' ∗ 4
(11)
und 123 =
13
1 + 0,00366 ∗ 9:
(12)
Gesamtwirkungsgrad
Der Gesamtwirkungsgrad setzt sich aus dem Produkt der einzelnen Wirkungsgrade zusammen.
*;�< = *�� ∗ *. ∗ */
(13)
Versuchsdurchführung
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Brennstoffzelle Operator
(Versorgungseinheit) Controller
3 Versuchsdurchführung
3.1 Versuchsaufbau
Abbildung 3.1 stellt den Versuchsaufbau für das Praktikum dar:
3.2 Aufnahme der U-J-Kennlinie
In dem ersten Versuchsteil nehmen Sie an einer elektronischen Last, die Messwerte der Spannungen
und Leistung bei verschiedenen Temperaturen und unterschiedlicher Luftzufuhr auf. Hierbei ist
darauf zu achten das die Messwerte in einem bestimmten Zeitintervall aufgenommen werden. Da
das in den Zellen entstehende Wasser zu Spannungsfällen führt. Deswegen wird der Stack
automatisch nach einiger Zeit ausgespült (purgen).Tragen Sie die Werte für jede Messung in die
dafür vorgesehenen Tabellen 3.1 und 3.2 ein.
1. Stellen Sie als Erstes über das Bedienteil den Temperatursollwert auf 9<()) � 40°und den
Luftüberschuss auf λ = 1,5. Hat der Istwert der Temperatur den Sollwert erreicht, starten Sie die
Messung in dem Sie den Laststrom ILast an der elektronischen Last langsam jede Minute von 0A-15A
in 1A-Schritten steigern. Nehmen Sie hierbei für die verschiedenen Lasten die Stackspannung auf.
Fahren Sie nun ebenfalls minutenweise den Laststrom um 1A von 15A-0A zurück und nehmen Sie
wieder die Stackspannung auf.
2. Wiederholen Sie die Selbe Messung für9<()) � 40°und λ = 4.
3. Stellen Sie nun den Temperatursollwert auf 9<()) � 50° und den Luftüberschuss auf λ = 1,5.
Führen Sie die gleiche Messung wie in den vorhergehenden Aufgabenpunkten durch.
4. Wiederholen Sie die Messung bei gleicher Temperatur 9<()) � 50° und einem Luftüberschuss von
λ = 4. Ansonsten ist der Versuch wie in den vorhergehenden Aufgabenpunkten durchzuführen.
Abbildung 3.1 Aufbau des Versuchstandes
Versuchsdurchführung
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λ= 1,5 λ= 4
ILast
[A]
JLast
[mA/cm²]
UStack↑
[V]
UStack↓
[V]
UZelle↑
[V]
UZelle↓
[V]
UStack↑
[V]
UStack↓
[V]
UZelle↑
[V]
UZelle↓
[V]
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16 Tabelle 3.2 Spannung und Strom des Stack bei der Temperatur 40°C
λ= 1,5 λ= 4
ILast
[A]
JLast
[mA/cm²]
UStack↑
[V]
UStack↓
[V]
UZelle↑
[V]
UZelle↓
[V]
UStack↑
[V]
UStack↓
[V]
PStack
[W]
UZelle↑
[V]
UZelle↓
[V]
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16 Tabelle 3.3 Spannung, Strom und Leistung des Stack bei der Temperatur 52°C
Versuchsauswertung
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4 Versuchsauswertung
4.1 Darstellen der U-J-Kennlinie
Die Angaben der Einzelzellspannung und Stromdichte sind entscheidende Größen um
Brennstoffzellen untereinander besser vergleichen zu können. Wird der von der Zelle produzierte
elektrische Strom durch die aktive Fläche geteilt, erhält man die Stromdichte J. Bei dieser
Brennstoffzelle ist der Wert von 1A ≙ 37,5 mA/cm². Die Einzelzellspannung kann man ermitteln,
indem man die Stackspannung durch die Anzahl der Module z = 42 teilt.
1. Stellen Sie die Einzelzellspannungen in Abhängigkeit von der Stromdichte in den dafür
vorgesehenen Diagrammen 4.1 bis 4.4 dar.
2. Errechnen Sie die Stackleistung und stellen Sie diese in Abhängigkeit von der Stromdichte in dem
Diagramm 4.5 dar.
Diagramm 4.1 Einzelzellspannung in Abhängigkeit von der Stromdichte bei ϑϑϑϑ=40°C und λ = 1,5
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
Ein
zelz
ell
spa
nn
un
g [
V]
Stromdichte [mA/cm²]
Versuchsauswertung
Seite
10
Diagramm 4.2 Einzelzellspannung in Abhängigkeit von der Stromdichte bei ϑϑϑϑ=40°C und λ = 4
Diagramm4.3 Einzelzellspannung in Abhängigkeit von der Stromdichte bei ϑϑϑϑ=50°C und λ = 1,5
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
Ein
zelz
ell
spa
nn
un
g [
V]
Stromdichte [mA/cm²]
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
Ein
zelz
ell
spa
nn
un
g [
V]
Stromdichte [mA/cm²]
Versuchsauswertung
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11
Diagramm 4.4 Einzelzellspannung in Abhängigkeit von der Stromdichte bei ϑϑϑϑ=50°C und λ = 4
Diagramm 4.5 Leistung des Stack in Abhängigkeit von der Stromdichte
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
Ein
zelz
ell
spa
nn
un
g [
V]
Stromdichte [mA/cm²]
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
Leis
tun
g [
W]
Stromdichte [mA/cm²]