Laboratorium Fizyki II

ĆW. 13: MODEL ENERGETYKI WODOROWEJ OPARTY NA OGNIWIE PALIWOWYM

Marek Wakulak

WIP MD-A0-21

23.04.13

1. Wstęp

Celem dwiczenia jest zbadanie procesu wytwarzania paliwa wodorowego przy pomocy elektrolizera
oraz zbadanie procesu elektrochemicznego spalania paliw w ogniwie paliwowym.

W skład układu pomiarowego wchodzą następujące elementy:



elektrolizer typu PEM z elektrolitem polimerowym



zbiornik do magazynowania wodoru i zbiornik do magazynowania tlenu, połączone z
elektrolizerem



ogniwo paliwowe z elektrolitem polimerowym przewodzącym protonowo



obciążenie o regulowanej wartości oporu



zestaw przewodów połączeniowych i mierników (amperomierz i woltomierz)



cyfrowy miernik natężenia światła

2. Badanie procesu wytwarzania paliwa wodorowego przy pomocy elektrolizera

Zasilaniem układu było niezależne regulowane źródło napięciowe. Układ został podłączony według
schematu pokazanego poniżej.

Napięcie zostało zwiększane w zakresie od 0.2 do 1.2 V co 0.2 V, a następnie w zakresie od 1.3 do 2.2
V co 1 V. Po ustawieniu każdej wielkości napięcia na zasilaczu odczekano 2 minuty do ustabilizowania
się stanu układu. W ten sposób utworzono charakterystykę prądowo-napięciową elektrolizera. Składa
się ona z dwóch części – łagodnie nachylonej (dla małych wartości napięcia) oraz części o dużym
nachyleniu (dla napięd wyższych niż progowe).

Miejsce przecięcia osi X z prostą przechodzącą przez punkty leżące w części o dużym nachyleniu,
nazywamy napięciem progowym. Napięcie progowe wynosiło U = 1350 mV.

Kolejną częścią dwiczenia było ustawienie napięcia powyżej progowego o co najmniej 0.2 V, a
następnie zaobserwowano przyrost gazu w zbiornikach w konkretnym czasie. Obliczono sprawnośd
ogniwa według poniższego wzoru:

Wyliczona wartośd η wynosi η = 0.717.

Podstawione dane:



I = 0.448 A



U = 2.186 V



t = 23 min = 1380 s



H = 12.75 MJ



V = 76 cm

3

3. Badanie procesu elektrochemicznego spalania paliwa w ogniwie paliwowym

Do pomiaru charakterystyki ogniwa paliwowego użyto układu zbudowanego według schematu
przedstawionego poniżej.

Na początku badania dokonany został pomiar napięcia na zaciskach ogniwa otwartego. Następnie
uchylono zawory doprowadzające wodór oraz tlen do ogniwa paliwowego i wykonany serię
pomiarów napięcia i natężenia dla różnych wartości oporu. Na podstawie pomiarów stworzono
charakterystykę prądowo-napięciową ogniwa.

Następnie obliczono wartośd mocy wytwarzanej przez ogniwo i wyznaczono wykres mocy ogniwa w
funkcji napięcia.

Oszacowano opór, dla którego moc ogniwa jest maksymalna. Ustalono wartośd oporu R = 3.5 Ω.
Następnie przy wyłączonym elektrolizerze rozpoczęto pomiar poziomu zużytego wodoru. Po
dokonaniu pomiarów wyznaczona została sprawnośd ogniwa. Możemy ja wyznaczyd za pomocą
następującego wzoru:

Wyliczona wartośd η wynosi η = 0.095.

Podstawione dane:



I = 0.0551 A



U = 0.2094 V



t = 35 min = 2100 s



H = 12.75 MJ



V = 20 cm

3

4. Wnioski

Do optymalnego wykorzystania elektrolizera wymagane jest podanie napięcia wyższego niż progowe.
Dodatkowo można zauważyd, że im większe napięcie podane na elektrolizer tym większy prąd, a co
za tym idzie – zwiększona prędkośd wydzielania wodoru.

Ogniwo paliwowe osiąga najwyższą moc dla pewnych wielkości oporu. Za duży lub za mały opór
powoduje zmniejszenie mocy uzyskiwanej przez ogniwo.

Z otrzymanych pomiarów wynika, że sprawnośd elektrolizera jest o wiele większa niż ogniwa
paliwowego.

Im mniej wodoru pozostaje w zbiorniku tym wolniej zachodzi reakcja. Produkowana energia
elektryczna jest mniejsza dla mniejszych ilości wodoru w zbiorniku. Może to byd spowodowane
zalaniem ogniwa paliwowego, oporem elektrolitu oraz oporem wewnętrznym ogniwa.