Brændselscelle - effektivitet

Side 1

STX 1.g

Dato: 27 februar 2006

Fysik

1

STX 1.g

Formål:

Formålet for denne rapport var at undersøge en brændselscelles effekt og dens nyttevirkning. Dette bliver gjort ved først at danne brint i en elektrolyse, hvorefter det bliver afbrændt i en brændselscelle. Vi skal også efterforske hvor meget hydrogen der bliver brugt for at en brint bil kan køre. Dette vil blive undersøgt med følgende apparatur beskrevet nedenfor.

Forsøgsopstilling:

Apparatur:

• En brændselscelle

• En brint bil

• Dekademodstand

• Amperemeter

• Voltmeter

• Stopur

• En elektrolysecelle

• Strømboks

• Ledninger

• Demineraliseret vand

• Målebånd

•

Teori:

Elektrolyse er en måde at adskille et stof på ved hjælp af elektricitet. Sætter man strøm til en væske i et elektrolysekar, vil væskens positive ioner blive tiltrukket af katoden, mens væskens negative ioner vil blive tiltrukket af anoden.

En Katode er noget der kan udsende elektroner, fx den negative ladede ende af et batteri.

En Anode er noget der kan optage elektroner, fx den positive ladede ende af et batteri.

I vores forsøg er det vand der bliver spaltet, til ilt(O

2 2

) og brint (H

) Dette sker på denne måde:

2H O🡪2H + O

2 2 2

En Brændselscelle er et element der omdanner en energiform til en anden. I vores tilfælde bliver der lavet elektricitet ved en kemisk reaktion af brint og ilt. Det eneste biprodukt det bliver tilbage, er vanddamp, som ikke på nogen måde kan skade miljøet. Den kemiske reaktion der sker, er:

2H +O 🡪2H O + Energi. Under normale forhold ville denne reaktion give et knald, fordi den

2 2 2 måde den udlader energien ville være E varme

. Derfra får den navnet ”Knaldgas”. Men inde i brændselscellen er denne reaktion kontrolleret, og vil derfor ikke give et knald. Måden energien bliver udeladt på i vores tilfælde, er som E.

elktrisk

Side 2

Dato: 27 februar 2006

Fysik

2

En Nytteværdi er hvor meget af den fulde energi der omsættes, som varer ved. Under en hvilken som helst energiomsætning, tabes der energi. Man vil selvfølgelig prøve at omsætte så mange procent af den gamle energi til den nye, men ingen har endnu fundet ud af hvordan dette skal gøres, og mange kritikere siger det er umuligt. I vores tilfælde skal vi regne ud, hvor meget energi der går

tabt når vi omsætter gassen hydrogen til elektrisk energi. Formlen for nyttevirkning er: η= ΔE __

el

ΔE brænd

E = H ∙ V 🡪Når H er lig brændværdien, og V er lig rumfanget.

brænd v v

η = _ΔE __

el

H ∙ V v

E kan udregnes som P (effekt) ∙ Δt. Og siden P er lig U (Spændingsfald) ∙ I (Strømstyrke) er dette el

sandt: E = U ∙ I ∙ Δt

el

Derfor kan vi, i stedet for at skrive η = _ΔE __ , Skrive 🡪 η = U ∙ I ∙ Δt

el

ΔE H ∙ V brænd v

Fremgangsmåde:

Forsøg 1:

I det første forsøg skulle vi undersøge brændselscellens effekt og dens nyttevirkning

(virkningsgrad). Forsøget gik ud på at producere hydrogen, som ville blive anvendt som brændselscelle. Derefter skulle vi måle spændingen fra brændselscellen når den kørte

(strømstyrken), den tid den kørte og den forbrugte mængde hydrogen.

Det første vi gjorde var, at vælge en brændselscelle, en strømforsyning og et amperemeter. Vi hældte demineraliseret vand ned i det to beholdere på brændselscellen, og satte låget på så vandet ikke kunne komme ud. Vi vendte brændselscellen om, for at gøre plads til det vand som brændselscellen ville afgive når den lavede brint. Vi lavede dernæst et kredsløb med brændselscellen, amperemeteret og strømforsyningen ved hjælp af nogle ledninger. Grunden til vi satte amperemeteret til, var for at nøjagtigt at kunne aflæse hvor mange amp’s der løb igennem kredsløbet. Hvis dette tal blev højere end 0,5 A, ville cellen tage skade. Da kredsløbet var korrekt tilsluttet, tændte vi for strømforsyningen, som resulterede i at brændselscellen begyndte at lave brint. Efter et par minutter var den ene beholder fyldt, og den anden var lidt over halv fyldt. Dette skyldes at der bliver lavet dobbelt så meget brint som oxygen, og derfor vil den ene beholder jo fyldes hurtigere end den anden. Da dette stadie var nået, slukkede vi for strømmen, og pillede ledningerne ud fra de forskellige apparater. Vi lavede et nyt kredsløb, som indeholdt vores brændselscelle, et voltmeter, et amperemeter og en dekademodstand (som bestod af en boks som ville lave en modstand i kredsløbet, for derefter at regne effekt og nyttevirkning ud). Vi testede hvor lang tid det ville tage at bruge X antal ml brint ved en belastning (modstand) af en, to og tre volt.

Resultaterne kan man se nedenfor. Imens vi testede tiden det ville tage at bruge X antal ml brint med en modstand, noterede vi også hvor megen volt der blev produceret, og hvor mange amperes der var. Da vi havde noteret alt, regnede vi effekten og nyttevirkningen ud. Se diskussion.

Forsøg 2:

I det andet forsøg, skulle vi undersøge hvor meget hydrogen brændselscellen brugte, når den skulle få bilen til at køre. Hvor meget hydrogen ville bilen bruge på at køre tyve meter. Vi startede med igen at lave et kredsløb med vores brændselscelle, strømforsyning og et amperemeter, for at lave

Side 3

Dato: 27 februar 2006

Fysik

3 noget nyt brint. Da dette var gjort, tog vi den en brint bil, og satte vores brændselscelle med hydrogen fast derpå. Vi lagde et tyve meter målebånd på jorden, og noterede hvor meget brint hydrogen der var i brændselscellen. Da dette var gjort, satte vi bilen ned ved nul meter, og startede tiden på samme tid som vi satte ledningerne, fra brændselscellen til bilen, i. Hver femte meter noterede vi tiden, for at finde gennemsnitsfarten. Da bilen nåede tyve meter, hev vi ledningerne ud, og aflæste hvor meget hydrogen der var tilbage. Forskellen fra start til slut hydrogenet, ville være så meget som der var blevet brugt på de tyve meter.

Databehandling:

Data til forsøg 1:

Til forsøg 1 noterede vi hvor lang tid det ville tage for X antal ml brint at blive brugt, ved en, to eller tre volts modstand (Ohm). Imens vi noterede dette, aflæste vi også et amperemeter og et voltmeter som vi havde tilsluttet kredsløbet. Alt dette står ovenfor. Vi regnede derefter effekten ud, efterfulgt af den elektriske og brændsel energien. Til sidst fandt vi nyttevirkningen mellem den elektriske energi og brændsel energien. Se diskussion for formler.

Data til forsøg 2:

I forsøg 2 noterede vi hvor lang tid det ville tage en brint bil at køre 5, 10, 15 og 20 meter. Som beskrevet i forsøgsbeskrivelsen, havde vi lagt et målebånd ud, og noterede når bilen passerede de nævnte punkter. Jeg har sat vores informationer ind i en graf som er nem og læse, og har tilføjet

bilens fart. Det kan være svært at forstille sig en fart i m/s, og derfor har jeg også regnet det ud til
km/h (kilometer per time). For at lave m/s om til km/h skal man gange m/s med 3,6. Dette er fordi
at der skal 1000 m til en km, og 3600 sek. til en time. 1000 m = 1 km (
3600 s = 1 time
Gennemsnittet af de fire farter er 0,36 m/s ∙ 3,6 km/h = 1,30 km/h
Så brint bilen kørte i gennemsnit 1,30 km/h.

R | V | t | U | I | P | E | E | η

elektrisk brændsel

Ω | ml | s | V | A | W | J | J | %
2,0 | 2 | 201 | 0,789 | 0,0966 | 0,076 | 15,3197 | 23,36 | 65,58
3,0 | 2 | 204 | 0,790 | 0,0857 | 0,085 | 13,8114 | 23,36 | 59,12
1 | 6 | 382 | 0,780 | 0,1085 | 0,068 | 32,4776 | 70,08 | 46,34

Distance 0 5 10 15 20

(Meter)

Tid 0 15,35 27,77 40,35 52,57

(Sekunder)

Fart 0 0,33 0,36 0,37 0,38

(m/s)

Side 4

Dato: 27 februar 2006

Fysik_{Tid (Sekunder)}

4

0 50 60

Distance (meter)

Brint bil Kørsel Tid/Distance

0

10

20

y = 0.383*x - 0.432

Her er en graf over bilens kørsel. Jeg har lavet den bedste rette linje, som viser at alle punkterne ligger meget tæt på den rette linje, hvilket viser at bilen har haft en konstant fart. Dette er lige med undtagelsen af det første punkt, men grundet til det er, at bilen jo lige skulle accelerere. Man kan læse nærmere om det, i fejlkilder.

Diskussion:

Forsøg 1

Dette forsøg gik ud på at finde nyttevirkningen og effekten for en brændselscelle. Vi gjorde som beskrevet i fremgangsmåden, og stod tilbage med de informationer man kan finde i ”forsøgs 1

tabel”. Vi skulle derfor finde effekten, og til det brugte jeg den formel som lyder: P = I ∙ U

Vi havde gentaget det samme forsøg, med undtagelse af voltens styrke, tre gange for at få vores svar til at være så akkurat som muligt. Udregningerne med brug af effekt formlen, lød derfor:

(ved 1 volt modstand) 🡪 P = 0,109A ∙ 0,780V ⬄ P = 0,085 W

(ved 2 volt modstand) 🡪 P = 0,0966A ∙ 0,789V ⬄ P = 0,762 W

(ved 3 volt modstand) 🡪 P = 0,0857A ∙ 0,790V ⬄ P = 0,0677 W

Dernæst skulle jeg finde E. Dette gjorde jeg med den udleverede formel: E = H ∙ V

brænd brænd v

(ved 1 volt modstand) 🡪 E = 11,68 J/mL ∙ 6 mL ⬄ E = 70,08 J

brænd | brænd

(ved 2 volt modstand) 🡪 E = 11,68 J/mL ∙ 2 mL ⬄ E = 23,36 J

brænd | brænd

(ved 3 volt modstand) 🡪 E = 11,68 J/mL ∙ 2 mL ⬄ E = 23,36 J

brænd | brænd

Side 5

Dato: 27 februar 2006

Fysik

5

Da jeg havde fundet ud af dette, manglede jeg bare at finde ud af E el før jeg til slut kunne komme

frem til nyttevirkningen. Formlen brugt for at finde E lød sådan her: E = U ∙ I ∙ Δt

el el

(ved 1 volt modstand) 🡪 E = 0,780V ∙ 0,109A ∙ 382s = 32,4776 J

el

(ved 2 volt modstand) 🡪 E = 0,789V ∙ 0,0966A ∙ 201s = 15,3197 J

el

(ved 3 volt modstand) 🡪 E = 0,79V ∙ 0,0857A ∙ 204 s = 13,8114

el

Når dette er slået fast, mangler vi kun nyttevirkningerne for brint. Denne finder man ud af, ved at

bruge følgende formel, som også står beskrevet i teorien: η = _ΔE __

el

ΔE brænd

(ved 1 volt modstand) 🡪 η = 32,4776 J ⬄ η = 0,4634 ∙ 100 = 46,34 %

70,08 J

(ved 2 volt modstand) 🡪 η = 15,3197 J ⬄ η = 0,6558 ∙ 100 = 65,58 %

23,36 J

(ved 3 volt modstand) 🡪 η = 13,8114 J ⬄ η = 0,5912 ∙ 100 = 59,12 %

23,36 J

Der er tydeligvis sket en fejl i vores første måling, som der gør at man ikke kan bruge den til noget, og derfor har jeg tænkt mig at lave et nyt skema, kun til min ekstra måling. Denne måling bliver baseret på, at siden det tager 201 og 204 sek. for 2 mL at blive opbrugt, må det jo tage omkring 600 sek for 6 mL brint.

Effekten og E har intet med tiden at gøre, og derfor vil jeg ikke regne den ud. Det som brændsel involvere tid, er E som jeg nu vil regne ud, med 600 sek. I stedet for 382 sek.

elektrisk

🡪 E = 0,780V ∙ 0,109A ∙ 600s ⬄ E = 51,012 J

el el

Nyttevirkningen for den nye elektriske energi vil også blive regnet ud.

🡪 η = 51,012 J ⬄ η = 0,7279 ∙ 100 = 72,79 %

70,08 J

Selvom man jo selvfølgelig ikke kan stole helt på dette svar, er det alligevel tæt på sandheden.

De tre nyttevirkninger jeg er kommet frem til ligger fra 72% - 59%, hvilket jo ikke er særlig godt.

Hvis man mister 60% energi når man omdanner brint til elektrisk energi, så kan det som sagt slet ikke betale sig. Derfor er der stadig en masse research der skal ske på dette emne. Lige nu er teknologien alt for dyr, og hvis man ikke kan udnytte mere end 60% af energien, tager det lang tid før brint kommer ud og får succes på markedet.

R | V | t | U | I | P | E | E | η

elektrisk brændsel

Ω | ml | s | V | A | W | J | J | %
1 | 6 | 600 | 0,780 | 0,1085 | 0,068 | 51,012 | 70,08 | 72,79

Side 6

Dato: 27 februar 2006

Fysik

6

Forsøg 2:

I forsøg nummer 2, kørte en brint bil tyve meter på 52,57 sek. imens vi hver femte meter, noterede

tiden. Vi fandt derefter ud af hvor hurtigt den kørte i m/s, og regnede det ud til km/h for at få en ide

om hvor hurtigt den faktisk kørte. Bagefter drejede det sig om hvor langt denne her lille brint bil faktisk kunne køre på en given mængde hydrogen. Vi fandt ud af den kørte tyve meter på 2 mL brint. Hvis man skal finde ud af hvor meget den kører på literen, ska man bare dividere 1000mL med 2 mL (fordi der er 1000 mL på en litter) som giver en 500. det ganger man med 20 meter

⬄500 ∙ 20m = 10,000m. 10,000m ⬄ 10 km. Denne lille brint bil kører derfor 10km på literen.

Fejlkilder:

Den største fejlkilde i vores forsøg var det faktum at målingen for den første brint afbrænding var helt skæv. Vi noterede at det tog 382 sek. At bruge 6 mL brint, og 201 sek. At bruge 2 mL. Det passer jo selvfølgelig ingen steder, og kan skyldes mange ting. Det som jeg tror det skyldes er, at den brændselscelle vi brugte, ikke havde været brugt i lang tid, og skulle derfor først ”varme op” før den begyndte at producere den rette mængde brint. Vi fik senere af vide at man skulle lade brændselscellen stå og slappe af inden man begyndte at producere brint af den, fordi sådan noget kunne ske.

En anden fejlkilde kunne være, at brændselscellen kunne læke gas. Det kan være at den ikke var helt tæt, og derfor lækede gas ud konstant. En meget lille mængde ganske vidst, men stadig nok til at det kunne mærkes.

En tredje fejlkilde var da vi skulle køre med bilen. Vi startede den ved nul meter, og den accelererede derfra. Hvad man nok skulle havde gjort var, at lade den accelerere fem meter forinden, for bedre at kunne regne med resultatet man ville få.

Konklusion:

Jeg kan konkludere at nyttevirkningerne for brint endnu ikke har nået toppen. Dette har jeg konkluderet ved succesfuldt at have undersøgt brændselscellens effekt, og derefter udregnet dens nyttevirkning. Måden jeg har undersøgt brændselscellens effekt, er ved at afbrænde hydrogen som jeg selv har spaltet i en elektrolyse. Det biprodukt der bliver tilbage efter alt det, er vand, og er ikke skadeligt på nogen måde. Derfor håber mange på at brint bliver den nye form for energi, i stedet for olie, eller andre miljø skadelige stoffer.