Wasserstoff-Brennstoffzelle-Simulation

Über dieses Experiment

Schließen Sie eine Brennstoffzelle an eine Last an und verfolgen Sie den Gasverbrauch, die Wasserproduktion und die abgegebene elektrische Energie. Passen Sie den Lastwiderstand an und finden Sie heraus, wann ein begrenzter Reaktantenvorrat aufgebraucht ist.

Lernziele

Bilanzieren Sie die Mengen an Wasserstoff, Sauerstoff, Wasser und Elektronen.
Unterscheiden Sie zwischen der momentanen Leistung an den Anschlüssen und der insgesamt abgegebenen Energie.
Erklären Sie den Innenwiderstand und das Leistungsmaximum bei angepasster Last.

Anleitung

1Schließen Sie die Last an und erfassen Sie Spannung, Stromstärke und Leistung.
2Stellen Sie den Lastwiderstand auf den Wert des Innenwiderstands ein und vergleichen Sie die Leistung mit nahegelegenen Werten.
3Lassen Sie die Simulation bis zur Erschöpfung des Brennstoffs laufen und bestimmen Sie das limitierende Gas.
4Öffnen Sie den Lastkreis vor der Erschöpfung und überprüfen Sie, dass Wasser und die bis dahin abgegebene Energie erhalten bleiben.

Das Modell

I = E / (R_{L} + r), P_{L} = I^{2} R_{L}

Das lineare Quellenmodell liefert die maximale Lastleistung, wenn R L gleich dem Innenwiderstand ist.

n (H_{2}) = Q / (2 F), n (O_{2}) = Q / (4 F)

Wasserstoff und Sauerstoff werden im Verhältnis zwei zu eins verbraucht.

W_{L} = Q V_{L}, W_{L} + Q (E - V_{L}) = QE

Elektrische Energie und interner ohmscher Verlust machen die Freisetzung freier Energie im Modell aus.

Annahmen

Regulierte ideale Gaszuführungen halten bei 298,15 K eine ideale reversible Spannung von 1,229 V aufrecht, bis ein begrenzter Gasvorrat aufgebraucht ist.
Nur ein fester interner ohmscher Widerstand senkt die Klemmenspannung. Aktivierungs- und Massentransportpolarisation werden vernachlässigt.
Die Bilanzierung verwendet die Gibbs-Energie, die bei der angegebenen Quellenspannung freigesetzt wird. Ohmsche Wärme plus Lastenergie entsprechen der verfügbaren Abnahme dieser freien Energie, nicht der vollständigen Verbrennungsenthalpie.
Der Ventilator zeigt die momentane Leistung an und hat keine Rotorträgheit. Die Wasser- und Vorratsanzeigen sind vergrößerte Darstellungen.

Im Unterricht ausprobieren

Q1Warum kann ein kleinerer Lastwiderstand den Strom erhöhen, aber die Lastleistung verringern?
Q2Warum kann Sauerstoff übrig bleiben, nachdem der Wasserstoff aufgebraucht ist?

Häufig gestellte Fragen

Ist dies die vollständige Polarisationskurve einer realen Brennstoffzelle?

Nein. Das Modell isoliert den ohmschen Verlust und die begrenzte Zufuhrbilanzierung. Eine reale Zelle weist außerdem Aktivierungs- und MassentransporteEffekte auf.

Bezieht sich der elektrische Wirkungsgrad hier auf die Verbrennungsenthalpie?

Nein. Es ist die Lastspannung geteilt durch die gewählte reversible Quellspannung; als Referenz dient also die verfügbare Gibbs-Energie.