Politechnika Łódzka

Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska

Zakład Inżynierii Molekularnej

Instrukcja do ćwiczeń z przedmiotu:

Ogniwa paliwowe i wodór

Ćwiczenie nr 3

Zbadanie pracy ogniwa paliwowego typu DMFC

Opracował: mgr inż. Wiktor Redzynia

Zatwierdził: prof. dr hab. inż. Jacek Tyczkowski

Łódź 2012

Wstęp

Ogniwo paliwowe zasilane metanolem - DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) jest szczególnym
przypadkiem ogniwa z elektrolitem polimerowym. Jego budowa jest podobna do budowy
klasycznego ogniwa typu PEMFC. Paliwem jest metanol (CH

3

OH), będący cieczą w

stosunkowo szerokim zakresie temperatur (-97°C – 64°C, przy ciśnieniu atmosferycznym
1013 hPa), co jest jego olbrzymią zaletą. Metanol można zatem łatwo magazynować i
transportować.

Zasada działania ogniwa schematycznie pokazana jest na rysunku 1. Do anody dostarczany
jest roztwór metanolu z wodą. Wskutek działania katalizatora (platyna + ruten), zostaje
wydzielony wodór, który ulega rozkładowi na swobodne elektrony i jony H

+

(protony).

Protony wędrują przez membranę PEM w kierunku katody. Do katody – przez zewnętrzny
obwód elektryczny – podążają również elektrony. Na anodzie, w wyniku reakcji katalitycznej
pomiędzy cząsteczkami metanolu i wody, oprócz wodoru, powstają także cząsteczki ditlenku
węgla CO

2

. Z kolei na katodzie protony i elektrony reagują z dostarczanymi z zewnątrz

atomami tlenu, tworząc wodę.

Zachodzące reakcje:

Anoda: 2CH

3

OH + 2H

2

O → 2CO

2

+ 12H

+

+ 12e

−

Katoda: 3O

2

+ 12H

+

+ 12e

−

→ 6H

2

O

Rysunek 1. Zasada działania ogniwa typu DMFC.

Reakcja sumaryczna :
2CH

3

OH +3O

2

→ 2CO

2

+ 4H

2

O

2H

2

O

H

O

H

2CO

2

PEM – Proton Exchange Membrane

3O

2

6H

2

O

-

-

12H

+

Anoda

Katoda

12e

-

-
-

12e

-

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+
+

+

+

O

O

O

O

O

O

H

O

H

H

H

C

O

O

C

H

O

H

H

H

C

H

O

H

H

O

H

H

O

H

H

O

H

H

O

H

H

O

H

H

O

H

H

O

H

O

O

C

2CH

3

OH

Obciążenie zewnętrzne

Zalety ogniw DMFC to:



paliwo w postaci metanolu, które można łatwo przechowywać oraz transportować,



nieskomplikowana budowa i obsługa,



bezpieczna praca (stały elektrolit polimerowy),



niska temperatura eksploatacji,



łatwy i szybki rozruch.

Wadami, które ograniczają zastosowanie ogniw DMFC:



w porównaniu z ogniwem wodorowym, ogniwo metanolowe ma ciągle niższe
parametry prądowo-napięciowe, co wynika z wolniejszego elektrokatalitycznego
utleniania metanolu,



w ogniwie DMFC dezaktywacja katalizatora następuje szybciej (samoistny spadek
napięcia jest większy niż w ogniwie wodorowym),



wysoka toksyczność metanolu i jego zdolność do wywoływania korozji,



w wyniku elektroutleniania metanolu powstaje (obok wody) CO

2

, co jest niepożądane

np. podczas użytkowania w systemach zamkniętych jak łodzie podwodne.

ZAPOZNAĆ SIĘ Z INNYMI TYPAMI OGNIW OMÓWIONYMI W INSTRUCJI DO
ĆWICZENIA NR 2.



Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zbadanie pracy ogniwa paliwowego typu DMFC. Ćwiczenie polega na
ustaleniu charakterystyki napięciowo-prądowej ogniwa.


Skład zestawu do badań:

- ogniwo DMFC – 1 szt.

- multimetr – 2 szt.

- rezystor nastawny – 1 szt.

- metanol (<3%) – 1 pojemnik.

- pipeta – 1 szt.

- przewody połączeniowe – 4szt.

Rysunek 2. Elementy stanowiska doświadczalnego.

Wykonanie ćwiczenia

I. Zapoznać się z elementami stanowiska, po czym przystąpić do montażu układu zgodnie z
rysunkiem 3.

Rysunek 3. Schemat podłączenia układu ogniwo – układ pomiarowy.

II. Przed rozpoczęciem pomiarów należy poprosić prowadzącego o sprawdzenie poprawności
podłączeń stanowiska.

III. Wykonanie ćwiczenia:

1. Pipetą umieścić niewielką ilość metanolu w ogniwie przez otwory w celi.
2. Odczekać 5 minut.
3. Ustawić rezystor nastawny w położeniu R = ∞

V

R

A

O

2

CH

3

OH

Otwory do
napełniania
metanolem

4. Wykonać pomiary zapisując odczyty prądu i napięcia do tabeli 1, dla różnych wartości

oporu rezystora nastawnego.


Tabela 1. Pomiary napięciowo-prądowe.

R [Ω]

U [V]

I [A]

P [W]

∞

330

100

33

10

3.3

1

0.33

0.1

0

Sprawozdanie



Wykreślić charakterystykę napięciowo-prądową oraz zależność mocy ogniwa w
funkcji prądu.



Przeprowadzić analizę otrzymanych wyników i je skomentować.

Literatura

1. „Ogniwa paliwowe typu PEM: teoria i praktyka”, Arkadiusz Małek, Mirosław

Wendeker, Politechnika Lubelska, Lublin 2010.

2. „Fuel Cellell Technology for Classrom Instruction”, Cornelia Voight, Stefan Hoeller,

Uwe Kueter, H-tec 2009.

3. http://ogniwa-paliwowe.info