POLITECHNIKA POZNAŃSKA INSTYTUT ELEKTROENERGETYKI ZAKŁAD ELEKTROWNI I GOSPODARKI ELEKTROENERGETYCZNEJ
Laboratorium Elektroenergetyki Ćwiczenie nr 2 Temat: Ogniwa paliwowe PEM..
Rok akademicki: 2012/13 Wydział Elektryczny Kierunek: Elektrotechnika Studia dzienne inżynierskie Rok studiów/semestr: 2/4 Nr grupy: E4-2	Wykonawcy: 1. Łukasz Kosicki 2. Mateusz Gawroński 3. Mateusz Kujawa 4. Bartłomiej Olczak 5. Witold Golasiński	Data
				wykonania ćwiczenia	oddania sprawozdania
				19.03.2013	9.04.2013
				Ocena:
Uwagi:

1. Cel ćwiczenia

Celem przeprowadzonego ćwiczenia było poznanie zasady działania elektrolizera PEM, oraz ogniwa paliwowego PEM. Naszym zadaniem podczas zajęć laboratoryjnych było wykonanie pomiarów umożliwiających wykonanie charakterystyki prądowo-napięciowej elektrolizera PEM oraz charakterystyki prądowo-napięciowej i krzywej mocy ogniwa paliwowego PEM, a także wyznaczenie sprawności energetycznej oraz sprawności Faraday'a.

2. Schemat pomiarowy

2.1. Schemat 1

Schemat połączeń elementów dla zdjęcia charakterystyki prądowo-napięciowej elektrolizera oraz pomiaru parametrów potrzebnych do obliczenia sprawności.

Rys. 1 Schemat pomiarowy elektrolizera 1

2.2. Schemat 2

Schemat połączeń elementów dla zdjęcia charakterystyki prądowo-napięciowej ogniwa paliwowego oraz pomiaru parametrów potrzebnych do obliczenia sprawności.

Rys. 2 Schemat pomiarowy ogniwa

3. Przebieg ćwiczenia

3.1. Charakterystyka prądowo-napięciowa elektrolizera PEM

Celem wykonywanego eksperymentu jest wyznaczenie napięcia progowego przy którym elektrolizer PEM rozdziela wodę na wodór i tlen. Wykonujemy pomiar prądu oraz napięcia

Tabela 3.1. Charakterystyka prądowo napięciowa elektrolizera

L.p.	U[V]	I[A]
1	0	0
2	0,5	0
3	0,75	0
4	095	0
5	1	0
6	1,1	0
7	1,13	0
8	1,2	0
9	1,3	0,01
10	1,4	0,01
11	1,5	0,07
12	1,55	0,17
13	1,6	0,4
14	1,65	0,58
15	1,7	1
16	1,8	1,5
17	1,9	1,95
18	1,95	2,03

3.2. Sprawność energetyczna i sprawność Faradaya elektrolizera PEM

Celem wykonywanego eksperymentu jest wyznaczenie sprawności energetycznej oraz sprawności Faradaya elektrolizera. Podczas pracy elektrolizera spisujemy wartości wyprodukowanego wodoru oraz czas w jakim to nastąpiło, a także wartości prądu i napięcia.

Tabela 3.2. Wyniki pomiarów pracy elektrolizera

L.p.	VH2[cm^3]	t[s]	U[V]	I[A]
1	10	38	1,95	2,4
2	20	77	1,95	2,04
3	30	104	1,95	2,04
4	40	120	1,95	2,04
5	50	156	1,95	2,04
6	60	196	1,95	2,03
7	70	237	1,95	2,03
8	80	276	1,95	2,03

Obliczenia:

- sprawność energetyczna

- sprawność Faradaya

3.3. Charakterystyka napięciowo-prądowa i krzywa mocy ogniwa paliwowego PEM

Celem wykonywanego eksperymentu jest wyznaczenie rezystancji i prądu dla optymalnej mocy ogniwa paliwowego PEM, a także charakterystyki napięciowo-prądowej. Mierzone wartości to prąd i napięcie, rezystancja była nastawiana z oporników nastawnych.

Tabela 3.3. Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa paliwowego

L.p.	R[Ω]	U[V]	I[A]	P[W]
1		1	0	0
2	330	0,95	0	0
3	100	0,92	0,01	0,092
4	33	0,89	0,03	0,0267
5	10	0,85	0,08	0,068
6	5	0,82	0,16	0,1312
7	3	0,80	0,26	0,208
8	2	0,77	0,37	0,2849
9	1	0,71	0,67	0,4757
10	1+2	0,67	0,92	0,6164
11	1+1	0,63	1,13	0,7119
12	1+1+2	0,59	1,28	0,7552
13	1+1+1	0,56	1,41	0,7896
14	2+1+0	0,41	2,39	0,9799
15	1+1+0	0,39	2,45	0,9555
16	1+0+0	0,25	3,26	0,815
17	0+0+0	0,19	3,69	0,7011
18	Zwarcie	0,11	4,21	0,4631

3.4. Sprawność energetyczna i sprawność Faradaya ogniwa paliwowego PEM

Celem wykonywanego eksperymentu jest wyznaczenie sprawności energetycznej oraz sprawności Faradaya ogniwa paliwowego. Podczas pracy ogniwa spisujemy wartości wykorzystanego wodoru oraz czas w jakim to nastąpiło, a także wartości prądu i napięcia.

Tabela 3.4. Wyniki pomiarów pracy ogniwa

L.p.	VH2[cm^3]	t[s]	U[V]	I[A]
1	80	0	0,6	0,82
2	70	97	0,6	0,82
3	60	195	0,59	0,80
4	50	291	0,58	0,79
5	40	392	0,57	0,77
6	30	499	0,55	0,75
7	20	603	0,53	0,72
8	10	709	0,51	0,69

Obliczenia:

- sprawność energetyczna

- sprawność Faradaya

4. Wykresy

4.1. Charakterystyka prądowo-napięciowa elektrolizera PEM

4.2. Zależność objętości wyprodukowanego gazu od czasu

1. Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa paliwowego

2. Krzywa mocy ogniwa paliwowego

5. Wnioski

Teoretyczne napięcie potrzebne do rozkładu wody na wodór i tlen wynosi 1,23V. W naszym przypadku początek rozkładu wody zaczął się od 1,5V co prawdopodobnie jest spowodowane stratami wywołanymi przesyłem energii ze źródła do elektrolizera PEM.

Sprawności energetyczne przedstawionych metod (elektrolizera PEM i ogniwa paliwowego PEM) różnią się znacząco od siebie. Sprawność ogniwa paliwowego jest znacznie mniejsza i wynosi 40,4%, natomiast sprawność elektrolizera PEM sięga 82%. Niższa sprawność ogniwa paliwowego może się tłumaczyć tym iż niższy prąd przepływał przez niego co może mieć związek z rezystancją wewnętrzną ogniwa.

Wynikające różnice pomiędzy teoretyczną sprawnością elektrolizera (100%) a rzeczywistą którą wyliczyliśmy (98%) wynosi 2%, przyczyna tej różnicy wynika z dyfuzji gazów w celach, rezystancji wewnętrznej urządzenia oraz teoretycznym a rzeczywistym napięciem rozkładu. Straty dyfuzji wynikają z tego że część gazów dyfunduje przez membranę elektrolizera, reaguje w kontakcie w katalizatorem i tworzy wodę w elektrolizerze.

Wykres zależności objętości wyprodukowanego gazu od czasu wyraźnie pokazuje iż wielkość produkcji wodoru jest stała w czasie, ponieważ wykres ten przedstawia liniową funkcję czasu.

Największą moc ogniwa paliwowego uzyskaliśmy przy napięciu 0,41V i prądzie 2,39A i wynosiła ona 0,98W, przy nastawach dekad rezystancyjnych 2+1+0 [Ω] co bardzo dobrze wydać na charakterystyce P = f(I).

4

---