Politechnika poznańska instytut elektroenergetyki instytut elektrotechniki przemysłowej
laboratorium podstaw elektroniki Temat: Badanie ogniwa wodorowego.
Studia stacjonarne Nr grupy : E3-2
Uwagi :

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z pracą ogniwa wodorowego. Podczas ćwiczenia dokonaliśmy odpowiednich pomiarów, aby dokonać obliczeń sprawności, a także po to by wykreślić odpowiednie charakterystyki.

Spis elementów pomiarowych:

- 4 multimetry cyfrowe - ogniwo
- zasilacz - rezystor suwakowy
- elektrolizer - 3 rezystory nastawcze

Warunki panujące w laboratorium:

Ciśnienie p = 1001 [hPa] temperatura T = 24,5 [⁰C] = 297,5 [K]

Schemat połączeń:

Wyznaczenie charakterystyki prądowo – napięciowej elektrolizera PEM.

Lp.	U	I	Lp.	U	I
	[V]	[A]		[V]	[A]
1.	0,1	0,00	14.	1,40	0,01
2.	0,2	0,00	15.	1,45	0,02
3.	0,3	0,00	16.	1,48	0,06
4.	0,4	0,00	17.	1,50	0,12
5.	0,5	0,00	18.	1,52	0,22
6.	0,6	0,00	19.	1,54	0,38
7.	0,7	0,00	20.	1,56	0,51
8.	0,8	0,00	21.	1,58	0,65
9.	0,9	0,00	22.	1,60	0,80
10.	1,0	0,00	23.	1,65	1,26
11.	1,1	0,00	24.	1,70	1,71
12.	1,2	0,00	25.	1,75	2,21
13.	1,3	0,00	26.	1,77	2,31

Zaznaczone na szaro pole oznacza pojawienie się bąbelków. Wzrost napięcia powodował zwiększenie częstotliwości powstawania bąbelków.

Wyznaczenie sprawności.

Pomiary zostały dokonane dla stałych wartości napięcia i prądu. U = 1,77 [V]; I = 2,32 [A]

Elektrolizer:

Lp.	d	t
	[cm^3]	[s]
1.	10	0
2.	20	50
3.	30	118
4.	40	173
5.	50	229
6.	60	291
7.	70	351
8.	80	410

Charakterystyka przyrostu objętości w czasie d = f (t):

Obliczenia:

$$\eta_{\text{energy}} = \frac{E_{uz}}{E_{\text{po}}} = \ \frac{E_{\text{wodoru}}}{E_{\text{elektryczna}}} = \frac{V_{H}*H_{H}\ }{U*I*t}$$

V_H – objętość wodoru [m³]
H_H – ciepło spalania wodoru równe 12,745*10⁶ [J/m³]
U – napięcie [V]
I – prąd [A]

t – czas [s]

Sprawność energetyczna elektrolizera:

$$\eta_{\text{energy}} = \frac{7*10^{- 5}*12,745*10^{6}}{1,77*2,32*351} = \ 0,619 = 61,9\%$$

Sprawność Faradaya elektrolizera PEM

$$V = \frac{R*I*T*t}{F*p*z}$$

gdzie:

V – teoretyczna objętość wytworzonego gazu [m³]

R – uniwersalna stała gazowa równa 8,314 [J/mol*K]

I – prąd [A]

T – temperatura otoczenia [K]

t – czas [s]

F – stała Faradaya 96485 [C/mol]

p – ciśnienie otoczenia [Pa]

z – liczba elektronów koniecznych do uwolnienia cząsteczki dla H₂ = 2, tzn. 2 mole

elektronów są potrzebne do uwolnienia 1 mola H₂, dla O₂ = 4

$$V_{\text{obliczona}} = \ \frac{8,314*2,32*297,5*410}{96485*100100*2\ } = 121,8\ \lbrack cm^{3}\rbrack$$

V_{H wytworzona} = 80 [cm³]

$$\eta_{\text{Faradaya}} = \frac{\ V_{\text{H\ wytworzony}}}{V_{\text{H\ obliczona}}} = \frac{80}{121,8} = 0,657 = 65,7\%$$

Ogniwo:

Pomiary zostały dokonane dla stałej wartości rezystancji. R = 1+1 [Ω]

Lp.	U	I	d	t
	[V]	[A]	[cm^3]	[s]
1.	0,66	1,15	80	0
2.	0,65	1,14	70	67
3.	0,65	1,13	60	139
4.	0,65	1,13	50	204
5.	0,64	1,12	40	274
6.	0,64	1,12	30	342
7.	0,64	1,12	20	413
8.	0,64	1,11	10	485

Obliczenia:

$$\eta_{\text{energy}} = \frac{E_{\text{elektryczna}}}{E_{\text{wodoru}}} = \frac{\ U*I*t}{V_{H}*H_{l}}$$

Gdzie:

H_l – wartość opałowa wodoru równa 10,8*10⁶ [J/m³]

V_H – objętość zużytego wodoru [m³]

U – napięcie [V]

I – prąd [A]

t – czas [s]

$$\eta_{\text{energy}} = \frac{\ U*I*t}{V_{H}*H_{l}} = \frac{0,64*1,11*485}{10*10^{- 6}*10,8*10^{6}} = 3,19 = 319\%$$

Sprawność Faradaya:

$$\eta_{\text{Faradaya}} = \frac{\ V_{\text{H\ obliczone}}}{V_{\text{H\ zu}z\text{yte}}}$$

V_{H zużyte} = 10 [cm³]

$$V_{\text{H\ obliczone}} = \frac{R*I*T*t}{F*p*z} = \frac{8,314*1,11*297,5*485}{96485*100100*2} = 68,9\ \lbrack\text{cm}^{3}\rbrack$$

$$\eta_{\text{Faradaya}} = \frac{\ 68,9}{10} = 6,89 = 689\%$$

Wyznaczenie charakterystyki napięciowo – prądowej oraz wykreślenie krzywej mocy ogniwa.

	Pomiary	Obliczenia
Lp.	R	U	I
	[Ω]	[V]	[A]
1.	∞	1,02	0,00
2.	330	0,97	0,01
3.	100	0,95	0,01
4.	33	0,92	0,03
5.	10	0,88	0,09
6.	5	0,85	0,17
7.	3	0,82	0,27
8.	2	0,79	0,38
9.	1	0,72	0,67
10.	1+2	0,67	0,91
11.	1+1	0,62	1,10
12.	1+1+2	0,61	1,12
13.	1+1+1	0,61	1,12
14.	2+2+0	0,70	0,71
15.	1+2+0	0,65	0,94
16.	1+1+0	0,61	1,10
17.	1+0+0	0,30	2,63
18.	0+0+0	0,18	3,19
19.	-	0,11	3,47
20.	-	0,03	0,99

Obliczenia:

P = U * I R = U/I

Charakterystyki:

Prądowo napięciowa U = f (I):

Charakterystyka krzywej mocy P = f (I)

Wnioski.

Pierwszym etapem naszego ćwiczenia było dokonanie pomiarów prądu i napięcia w celu wyznaczenia charakterystyki prądowo – napięciowej. Wykreślona krzywa wykazuje, że prąd zaczyna płynąć przez elektrolizer od pewnej wartości przyłożonego napięcia. Rozkład wody na wodór i tlen następuje tylko wtedy gdy przez elektrolizer płynie prąd. W naszym przykładzie ten proces zachodzi przy napięciu większym niż 1,5V. Teoretyczne napięcie rozkładu wynosi 1,23V. Poniżej tej wartości rozkład nie zachodzi. Jednakże w praktyce to napięcie jest wyższe z powodu rezystancji przejściowych. Różnica między wartością teoretyczną i rzeczywistą tego napięcia zależy od wielu czynników, np. od typu i składu materiału elektrod, elektrolitu i temperatury.

W kolejnym punkcie ćwiczenia zajmowaliśmy się pomiarem czasu zwiększania się objętości wody. Następnie na podstawie dokonanych pomiarów mieliśmy wyznaczyć sprawności elektrolizera i ogniwa. Wyliczone przeze mnie sprawności moją bardzo duże błędy i są nie dokładne dlatego należy wywnioskować, że ogniwa cechują się małą sprawnością.

Ostatnim punktem ćwiczenia było dokonanie pomiarów napięcia i prądu przy zadanej rezystancji. Po dokonaniu pomiarów należało wyliczyć moc oraz rezystancje w celu porównania. Następnie należało wykreślić charakterystykę napięciowo – prądową oraz krzywą mocy. Z krzywej mocy można zauważyć, że ogniwo ma największą moc przy prądzie 2,63 [A] co odpowiada rezystancji 0,11 [Ω].