Ćw 7 i 8 Łączenie ogniw paliwowych i ich sprawność

background image

Ć

wiczenie 7 i 8. Łączenie ogniw paliwowych i ich sprawność.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

1

Ćwiczenie

nr 7,8

Temat ćwiczenia:

Łączenie ogniw paliwowych i ich sprawność
7. Wyznaczanie charakterystyki ogniw paliwowych
połączonych równolegle i szeregowo
8. Sprawność faradajowska i energetyczna ogniw
paliwowych

Konspekt

Nr zespołu:

Wydział, rok, grupa:

Data

Ocena

Nazwisko i imię

Teoria

Wykonanie ćwiczenia

Końcowa z ćwiczenia

1.

2.

Elementy układu:
1) elektrolizer,
2) ogniwa paliwowe,
3) zasilacz,
4) obciążenie o zmiennym oporze,
5) przyrząd uniwersalny – 2 szt;
6) komplet przewodów,
7) stopery – 2szt
8) woda destylowana ( dejonizowana)


Wprowadzenie

Pojedyncze ogniwo paliwowe wytwarza zbyt mało mocy (do 1-2 W/cm

2

), aby sprostać

wymogom zasilania nawet małych urządzeń elektrycznych. Z tego względu OP łączy się w stosy,

których napięcie i moc wyjściowa są odpowiednio zwielokrotnione. Zazwyczaj w stosie połączone

są ze sobą setki pojedynczych ogniw paliwowych.

Ogniwa można łączyć w ten sposób, aby elektrody sąsiadujących ogniw zasilane były tym

samym gazem - wtedy elektrody te są tego samego rodzaju, np. są to anody lub katody. Można

również tak skonstruować płytki kolektorów, aby sąsiadujące ze sobą elektrody były zasilane

odpowiednio paliwem i utleniaczem - wtedy płytki kolektorów są bipolarne. Schematycznie,

konfiguracje te pokazane zostały na Rys.1. Zaletą konfiguracji z unipolarnymi płytkami kolektorów

jest łatwość doprowadzenia gazów (paliwa i utleniacza) do stosu ogniw w przeciwieństwie do

bardziej skompliwanego schematu połączeń elektrycznych. W praktyce okazało się, że większe

zalety konstrukcyjne ma drugie rozwiązanie. Obecnie, przy szeregowym łączeniu ogniw najczęściej

stosowane są płyty bipolarne. Ich zadaniem, oprócz zapewnienia kontaktu elektrycznego pomiędzy

anodą jednego ogniwa a katodą drugiej ogniwa, jest również oddzielenie obiegu gazu anodowego

od gazu katodowego. W zależności od konstrukcji stosu przepływ gazów zasilających jest

realizowany w układzie współprądowym, przeciwprądowym czy w układzie poprzecznym.

Schemat konstrukcji takiego ogniwa przedstawiony został na Rys.1.

background image

Ć

wiczenie 7 i 8. Łączenie ogniw paliwowych i ich sprawność.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

2

tlen

tlen

tlen

wodór

wodór

wodór

+

-

tlen

tlen

tlen

tlen

tlen

wodór

wodór

wodór

wodór

wodór

+

-

porowata katoda elektrolit porowata anoda

kolektor prądu

Rys.1. Konfiguracja unipolarna (rysunek górny) i bipolarna (rysunek dolny) połączeń ogniw

paliwowych w stosie.

Połączenie szeregowe ogniw paliwowych w stosie, oprócz tego że podnosi napięcie układu,

powoduje również, że wzrasta opór stosu. W trakcie pracy stosu ogniw pod obciążeniem, skutkuje

to znacznym spadkiem jego napięcia (wzrasta jego polaryzacja). Dla zapobieżenie temu zjawisku,

często stosy łaczy się ze sobą równolegle. Napięcie takiego układu wprawdzie nie wzrasta, ale

background image

Ć

wiczenie 7 i 8. Łączenie ogniw paliwowych i ich sprawność.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

3

maleje polaryzacja układu pod obciążeniem, ponieważ maleje opór wewnętrzny układu – zaś im

mniejsza jest polaryzacja ogniwa paliwowego, tym większa jest jego sprawność energetyczna.

Zyżycie wodoru w ogniwie paliwowym jest zawsze większe niż wynikałoby to z praw

Faraday’a. Część wodoru nie uczestniczy bowiem w procesach elektrodowych, których wynikiem

jest wytworzenie energii elektrycznej w ogniwie. Wodór ten może uciekać przez nieszczelności

poza strefę reakcji, może przenikać przez membranę łącząc się z tlenem na katodzie, może również

reagować z zanieczyszczeniami. Miarą strat paliwa wodorowego jest współczynnik sprawności

faradajowskiej ogniwa, równy

exp

2

2

H

ther

H

F

V

V

=

η

(1)

gdzie V

H2ther

jest hipotetecznym zużyciem wodoru (podanym w jednostach objętości) obliczonym z

praw Faraday’a dla ogniwa paliwowego pracujacego w danym czasie i pod danym prądem

obciążenia zaś V

H2exp

jest objętością wodoru rzeczywiście zużytą w ogniwie w czasie jego pracy w

tych warunkach.

Najwyższy możliwy do osiągnięcia współczynnik sprawność energetycznej ogniwa

paliwowego wodorowo-tlenowego pracującego w zakresie temperatur 80-1000 °C wynosi:

C)

80

temp.

(w

0.83

-

C)

1000

temp.

(w

0.73

H

G

R

R

max

°

°

=

=

η

(2)

gdzie ∆

R

G i ∆

R

H oznaczaj

ą

odpowiednio entalpi

ę

swobodn

ą

i entalpi

ę

reakcji spalania wodoru.

Zakłada si

ę

wtedy,

ż

e szybko

ść

wszystkich procesów zachodz

ą

cych w ogniwie paliwowym jest

bardzo wysoka, a moc urz

ą

dze

ń

pomocniczych jest zaniedbywalnie mała w stosunku do mocy

stosu. W rzeczywisto

ś

ci warunki te s

ą

niemo

ż

liwe do spełnienia. Z tego powodu współczynniki

sprawno

ś

ci współczesnych ogniw paliwowych s

ą

du

ż

o ni

ż

sze.

Rzeczywisty współczynnik sprawno

ś

ci energetycznej ogniwa w praktyce mo

ż

na wyznaczy

ć

z zale

ż

no

ś

ci:

exp

2

2

H

oH

d

e

E

V

H

t

I

U

E

L

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

=

=

=

=

=

=

=

=

η

η

η

η

(3)

gdzie L

e

jest prac

ą

elektryczn

ą

wykonan

ą

przez ogniwo paliwowe na obci

ąż

eniu zewn

ę

trznym za

ś

E

d

energi

ą

odpowiadaj

ą

c

ą

ciepłu uzyskanemu podczas spalania paliwa wodorowego.

background image

Ć

wiczenie 7 i 8. Ł

ą

czenie ogniw paliwowych i ich sprawno

ść

.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

4

Ćwiczenie 7. Wyznaczanie charakterystyki ogniw paliwowych połączonych równolegle i

szeregowo


I. Wykonanie
ćwiczenia


W

ć

wiczeniu nr 5 nale

ż

y wyznaczy

ć

charakterystyki pr

ą

dowo- napi

ę

ciowe pracy dwóch ogniw

polimerowych poł

ą

czonych równolegle oraz poł

ą

czonych szeregowo.

Rys.5.1. Zdj

ę

cie stanowiska do pomiaru

charakterystyk ogniw paliwowych

Obja

ś

nienia:

a) tablica wy

ś

wietlacza napi

ę

cia i nat

ęż

enia,

b) polimerowe ogniwa paliwowe,
c) moduł obci

ąż

eniowy,

d) moduł fotowoltaiczny,
e) elektrolizer.

a),c),d) – nie używane w tym ćwiczeniu



Rys.5.2. Napełnianie cylindrów elektrolizera woda
destylowan

ą

(dejonizowan

ą

)

Rys.5.3. Napełnianie cylindrów wod

ą

destylowan

ą

do poziomu 0 na skali elektrolizera.

a) napełnianie wod

ą

destylowan

ą

- poziom 0;

b) wytwarzanie wodoru – poziom 60 na skali

elektrolizera

a

b

a)

b)

c)

d)

e)

background image

Ć

wiczenie 7 i 8. Ł

ą

czenie ogniw paliwowych i ich sprawno

ść

.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

5

Rys.5.4. Schemat pomiarowy do przeprowadzenie badania charakterystyki ogniw paliwowych
poł

ą

czonych równolegle. 1- fragment instalacji przedstawiony na Rys.5.5.


1) Poł

ą

cz układ zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys. 5.4.

2) Przed rozpoczęciem ćwiczenia sprawdź prawidłowość połączenia.

Gniazdo„+” zasilacza

poł

ą

czone powinno by

ć

z gniazdem„+” elektrolizera. Gniazdo „-” zasilacza poł

ą

czone z „-”

gniazda elektrolizera. Rys.5.4.

3) Sprawd

ź

, czy poł

ą

czenie gazowe pomi

ę

dzy elektrolizerem a ogniwami oraz poł

ą

czenia układu

elektrycznego s

ą

poprawne. Ustaw pokr

ę

tło w układzie obci

ąż

enia zewn

ę

trznego na pozycji „

”.

4) Napełnij oba cylindry wod

ą

destylowan

ą

do poziomu 0 [ml]. (Rys. 5.2.-5.3.).

5) Przyłącz zasilacz do sieci (listwy). Korzystając z zasilacza nie przekraczaj napięcia 2 [V], a

przy napięciu 1,8 [V] pracuj tylko przez krótki okres czasu. Po sprawdzeniu połączeń przez

prowadzącego, włącz zasilacz przełącznikiem na obudowie (w dół).

6) W celu całkowitego oczyszczenia układu (elektrolizer, rurki, ogniwa paliwowe) przez 10 minut

przepuszczaj gaz przy otwartym układzie (klipsy otwarte na rurkach wylotowych) (Rys.5.5). Wł

ą

cz

stoper. Przez pierwsze 5 minut prowad

ź

oczyszczanie układu przy poło

ż

eniu pokr

ę

tła zmiennego

oporu w pozycji „

”. Przez kolejne 5 minut oczyszczaj układ przy obci

ąż

eniu wynosz

ą

cym 0.1

[

]. Po tym czasie przekr

ęć

pokr

ę

tło oporu zewn

ę

trznego z powrotem do pozycji „

”.

1

DC

background image

Ć

wiczenie 7 i 8. Ł

ą

czenie ogniw paliwowych i ich sprawno

ść

.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

6








Rys.5.5. Poło

ż

enie klipsów do zamykania i otwierania przepływu gazów przez ogniwa paliwowe



8) Zaci

ś

nij klipsy na dwóch rurkach tak, jak pokazano to na Rys. 5.5.

9) Przerwij zasilanie elektrolizera, kiedy ilo

ść

wodoru w cylindrze osi

ą

gnie 60 [ml], wył

ą

czaj

ą

c

zasilacz.

10) W celu wyznaczenia charakterystyki ogniwa paliwowego zmierz pr

ą

d i napi

ę

cie na zaciskach

ogniwa paliwowego zmieniaj

ą

c kolejno opór obci

ąż

enia zewn

ę

trznego:

a)

na woltomierzu ustaw zakres pomiarowy 2 V. Na amperomierzu ustaw najpierw zakres „200

mA” – wtedy przewody powinny by

ć

doł

ą

czone do gniazd amperomierza odpowiednio: czarny do

„COM”, czerwony do „VΩmA”. Gdy warto

ść

pr

ą

du w trakcie pomiaru przekroczy 200 [mA]

(przekroczony zostanie zakres pomiarowy przyrz

ą

du), przestaw pokr

ę

tło oporu zmiennego na „∞” ,

pokr

ę

tło amperomierza na „10A” a przewód czerwony przełó

ż

do gniazda „10ADC”. Rozpocznij

teraz pomiary znowu od oporu 510 [Ω] a w tabeli zaznacz moment przeł

ą

czenia zakresu.

b)

ć

wiczenie zacznij gdy przeł

ą

cznik oporu obci

ąż

enia ustawiony jest na „

”.Wł

ą

cz stoper. Przy

ka

ż

dym punkcie pomiarowym odczekaj ok. 30 s. Wyniki zapisuj w TAB.5.1.

11) Po zako

ń

czeniu

ć

wiczenia nastaw przeł

ą

cznik oporu zmiennego na pozycj

ę

”, wypu

ść

gazy

przez otwarcie klipsów (Rys.5.5) i przyst

ą

p do powtórzenia

ć

wiczenia według procedur

opisanych w pkt.3-11

12)

Ć

wiczenie powtórz trzykrotnie.

tlen z elektrolizera wodór z elektrolizera

Klipsy

Ogniwa paliwowe

background image

Ć

wiczenie 7 i 8. Ł

ą

czenie ogniw paliwowych i ich sprawno

ść

.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

7

Wyznaczanie charakterystyki ogniw paliwowych połączonych szeregowo

Rys.5.6. Schemat pomiarowy do badania charakterystyki ogniw paliwowych poł

ą

czonych

szeregowo.

13) Poł

ą

cz układ zgodnie ze schematem na Rys.5.6.

14) Wykonaj pomiar dla poł

ą

czenia szeregowego powtarzaj

ą

c czynno

ś

ci opisane w

ć

wiczeniu nr 7

pkt. 1 – 12 . Wyniki pomiarów zapisz w Tab.5.2.

DC

+

-

background image

Ć

wiczenie 7 i 8. Ł

ą

czenie ogniw paliwowych i ich sprawno

ść

.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

8

II. Wyniki pomiarów i obliczenia

Tab. 5.1.Obliczanie mocy ogniw paliwowych poł

ą

czonych równolegle.

Poł

ą

czenie równoległe ogniw paliwowych

Rezystancja

R [

]

Napi

ę

cie

U [mV]

Nat

ęż

enie

I [mA]

Moc

ś

rednia

N [mW]


Tab. 5.2.Obliczanie mocy ogniw paliwowych poł

ą

czonych szeregowo

Poł

ą

czenie szeregowe ogniw paliwowych

Rezystancja

R [

]

Napi

ę

cie

U [mV]

Nat

ęż

enie

I [mA]

Moc

ś

rednia

N [mW]


III. Opracowanie wyników pomiarów

1.Wykre

ś

l charakterystyk

ę

napi

ę

ciowo – pr

ą

dow

ą

U= f(I) dla ogniw poł

ą

czonych równolegle i

ogniw poł

ą

czonych szeregowo korzystaj

ą

c z wyników pomiarów napi

ę

cia i nat

ęż

enia pr

ą

du

zebranych dla poł

ą

czenia równoległego odpowiednio w Tab.5.1, a dla poł

ą

czenia szeregowego

odpowiednio w Tab.5.2. Krzywe przedstaw na wykresie zbiorczym.

2. Porównaj charakter otrzymanych krzywych i zinterpretuj otrzymany wynik.

3. Oblicz warto

ś

ci mocy ogniwa paliwowego poł

ą

czonego równolegle i poł

ą

czonego szeregowo, a

obliczone wyniki wpisz odpowiednio: dla poł

ą

czenia równoległego do Tab.5.1, a dla poł

ą

czenia

szeregowego Tab.5.2.

background image

Ć

wiczenie 7 i 8. Ł

ą

czenie ogniw paliwowych i ich sprawno

ść

.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

9

4.Wykre

ś

l krzywe pr

ą

d – moc ogniwa N = f(I) dla ogniw poł

ą

czonych równolegle i szeregowo.

Krzywe przedstaw na wykresie zbiorczym.

5. Porównaj charakter otrzymanych krzywych i zinterpretuj otrzymane wyniki.

Ćwiczenie 8. Sprawność faradajowska i energetyczna ogniw paliwowych.


I. Wykonanie
ćwiczenia

1. Poł

ą

cz układ zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys.5.4.

2. Powtórz procedur

ę

przygotowawcza zgodnie z pkt. 2-9. Przerwij zasilanie elektrolizera, gdy

obj

ę

to

ść

wodoru osi

ą

gnie 60 [ml].

3. Mi

ę

dzy rurk

ą

a wej

ś

ciem do ogniwa mog

ą

wyst

ą

pi

ć

nieszczelno

ś

ci. Konieczne jest wi

ę

c

przeprowadzenie najpierw pomiaru testowego („

ś

lepej” próby). Zmierz utrat

ę

wodoru bez

obci

ąż

enia ogniwa w ci

ą

gu 3 minut (pozycja „∞”). Ustal szybko

ść

ucieczki wodoru w [ml]

w ci

ą

gu minuty.

4. Dopełnij cylinder wodorem do poziomu 60 [ml] i przerwij zasilanie elektrolizera.

5. Sprawd

ź

czy zakres amperomierza wynosi „10A”. Je

ż

eli nie, przeł

ą

cz przewód do

odpowiedniego gniazda a zakres przestaw na „10 A”. Nastaw opór oporu zmiennego na

warto

ść

0,3 [

]. Zapisz jak

ą

obj

ę

to

ść

wodoru zu

ż

yły ogniwa w ci

ą

gu 180 sekund. Po

badaniu wró

ć

do pozycji „∞”.

6. Wykonaj trzykrotny pomiar wg. punktów 4 - 5, wyznacz warto

ść

ś

redni

ą

.

II. Wyniki pomiarów i tabele pomiarowe:

Tab. 6.1. „

Ś

lepa” próba

Obj

ę

to

ść

utraconego wodoru

[ml]

t = 3 min

Szybko

ść

wycieku

[ml/min]

Tabela 6.2. Pomiar parametrów procesu konwersji wodoru w energie elektryczn

ą

w ogniwie

paliwowym

R = 0,3 [

]

U

1

= [mV] I

1

= [mA] V

1

= [ml]

t = 180 s

U

2

= [mV] I

2

= [mA] V

2

= ...............[ml]

U

3

= [mV] I

3

= [mA] V

3

= [ml]

U

śr

=

[mV]

I

śr

=

[mA]

V

śr

=

[ml]

V

rz

=

[ml]

V

ś

r

= obj

ę

to

ść

ś

rednia V

rz

– rzeczywista obj

ę

to

ść

zu

ż

ytego wodoru

background image

Ć

wiczenie 7 i 8. Ł

ą

czenie ogniw paliwowych i ich sprawno

ść

.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

10

III. Opracowanie wyników

Wyznacz:

1. Ilo

ść

zu

ż

ytego wodoru, uwzgl

ę

dniaj

ą

c nieszczelno

ść

układu.

2. Sprawno

ść

faradajowsk

ą

ogniwa paliwowego.

3. Sprawno

ść

energetyczn

ą

ogniwa paliwowego.

4. Przedyskutuj otrzymane wyniki.

Dla wyznaczenia sprawno

ś

ci posłu

ż

si

ę

równaniami:

Sprawność faradajowska

exp

2

2

H

ther

H

F

V

V

=

η

F

z

V

t

I

V

m

teor

H

=

2

gdzie

t – czas zu

ż

ywania wodoru

V

m

– obj

ę

to

ść

molowa substancji =24 000 ml; 22,4 dm

3

; 24 l/mol dla T=20°C 24 l

F – stała Faraday’a = 9 6484 [C]

z – liczba ładunku jonu [2]

I – nat

ęż

enie pr

ą

du przy którym zu

ż

ywany jest wodór.

S

prawność energetyczna

exp

2

2

H

oH

E

V

H

t

I

U

=

η

gdzie

2

0 H

H

- entalpia spalania 1 m

3

wodoru, dla temperatury 20°C

[

]

3

2

H

0

m

MJ

920

,

11

H

=

exp

2

H

V

- obj

ę

to

ść

zu

ż

ytego wodoru w trakcie pracy ogniwa paliwowego [m

3

]

U – napi

ę

cie przy jakim zu

ż

ywany był wodór [V]

I – nat

ęż

enie pr

ą

du [A]

t – czas zu

ż

ywania wodoru [s]


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Laczenie ogniw paliwowych by kozby, Energetyka AGH, semestr 5, semestr V, Konwersja Energii, lab KE,
Łączenie ogniw
199909 przyszlosc ogniw paliwow
Ćw 3 Wpływ technologii produkcji krzemowych ogniw fotowoltaicznych na ich własności eksploatacyjn
Doskonalimy swoją sprawność koordynacyjno-kondycyjną poprzez ćw w obwodzie stacyjnym, Gimnastyka1
Kształtowanie sprawności ogólnej i specjalnej w ćw zwonnościowo akrobatycznych
cw 9 Badanie przepięć łączeniowych w układach
Doskonalenie elementów gimnastycznych i nauka łączenia ich w całość, Gimnastyka
zabawy ruchowe, Ćwiczenia ogólnej sprawności ruchowej, Ćwiczenia ogólnej sprawności ruchowej -ćw
cw.202-sem ogniw metoda kompensacji, POLITECHNIKA POZNAŃSKA, sem.1, fizyka lab
Doskonalimy swoją sprawność koordynacyjno – kondycyjną poprzez ćw w obwodzie stacyjnym, Gimnastyka1
ped społ ćw grupy rówieśnicze i ich oddziaływanie wychowawcze, Materiały szkolne, ćwiczenia
Bilans%20energetyczny%20ogniw%20s%b3onecznych%20i%20paliwowych
Lab3 Wpływ technologii produkcji krzemowych ogniw fotowoltaicznych na ich własności eksploatacyjne
cw 1 Badanie układów z półprzewodnikowymi elementami łączeniowymi
Sprawko surowce ćw. 4 kraking, AGH, WEiP, Technologia chemiczna, Surowce energetyczne ciekłe i ich p
cw 1?danie układów z półprzewodnikowymi elementami łączeniowymi
ćw 5 procesy elektrochemiczne w ogniweach paliwowych

więcej podobnych podstron