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.
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
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.
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)
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
[
Ω
]. Po tym czasie przekr
ęć
pokr
ę
tło oporu zewn
ę
trznego z powrotem do pozycji „
∞
”.
1
DC
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
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
+
-
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 [
Ω
]
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 [
Ω
]
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.
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 [
Ω
]. 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 [
Ω
]
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
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]