1. Wstęp teoretyczny

Ogniwo paliwowe jest urządzeniem elektrochemicznym, które pozwala uzyskać energię elektryczną i ciepło bezpośrednio z zachodzącej w nim reakcji. Energia chemiczna paliw (np. wodoru, metanolu, benzyny) zostaje zamieniona na energię elektryczną. Ogniwa takie nie wymagają wcześniejszego ładowania, wystarczy tylko doprowadzić do nich paliwo, a po niewielkim czasie wymaganym do nagrzania są gotowe do pracy.

Wyróżnia się wiele rodzajów ogniw paliwowych, których praca ma różne parametry (inne zakresy temperatur pracy, inne zakresy mocy, inna sprawność).

Podstawowe typy ogniw paliwowych:

• wodorowo-tlenowe (ang. PEM - Proton Exchange Membrane Fuel Cell) - są to ogniwa zawierające membranę (elektrolit polimerowy) do wymiany protonów. Membrana znajduje się pomiędzy dwoma elektrodami : anodą i katodą, które najczęściej mają postać papieru pokrytego platyną. Zasada działania takiego ogniwa jest prosta - opiera się na zachodzącej reakcji chemicznej
  w ogniwie. Reakcja ta polega na rozbiciu gazowego wodoru wprowadzanego w sposób ciągły w obszar anody, gdzie ulega on utlenieniu (oddaje elektrony), dzięki czemu powstają protony. Następnie na katodzie tlen (również wprowadzany w sposób ciągły) reaguje
  z elektronami, potem jony wodorowe H⁺ są zobojętniane zjonizowanym tlenem. Jako, że półprzepuszczalna membrana pozwala tylko na przepływ protonów, elektrony z anody do katody docierają poprzez obwód elektryczny, przy czym wytwarzają prąd elektryczny.

Przebieg procesu przedstawiają poniższe równania rekacji:

anoda: 2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻

katoda: O₂ + 4e⁻ → 2O²⁻

2O²⁻ + 4H⁺ → 2H₂O
Ogniwa paliwowe tego typu wydzielają małą ilość ciepła, osiągają wysoką sprawność η_max = 65%, dzięki niskiej temperaturze pracy (60-100°C), mają krótki czas rozruchu.

• stało-tlenkowe (ang. SOFC - Solid Oxide Fuel Cell) - jonem transportującym ładunek w tego typu ogniwie jest jon tlenu O^2-. Woda tworzy się na anodzie. Temperatury pracy tego ogniwa są znacznie wyższe od tych dla PEM (600-1000°C), sprawność osiąga takie same wartości.

• zasadowe

• ze stopionym węglanem

• z kwasem fosforowym

• bezpośrednie ogniwo metanolowe

Najczęściej stosowane w przemyśle ogniwa paliwowe to ogniwa typu PEM/DMFC i SOFC. Popularność tych typów ogniw jest spowodowana wysoką sprawnością każdego z nich oraz membraną zbudowaną
z materiałów stałych - brak części ruchomych w ogniwie jest dużą zaletą w zastosowaniach przemysłowych.

Ogniwa paliwowe są obiektem ciągłych badań - dąży się do wydłużenia żywotności oraz podwyższania sprawności ogniw, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów jego produkcji.

Najważniejsze zalety ogniw paliwowych:

• wysoka jakość dostarczanej energii

• wysoka sprawność

• możliwość stosowania różnego rodzaju paliw

2. Opis laboratorium i schemat stanowiska

Praca ogniwa była obserwowana dzięki systemowi, który monitorował jego pracę.

Rysunek 2. Schemat stanowiska laboratoryjnego

1. Masowe natężenie przepływu wodoru

2. Pompa

3. Zawór regulacyjny

4. Ogniwa paliwowe

5. Kompresor

6. Masowe natężenie przepływu powietrza

7. Nawilżacz

8. Wentylator

9. Obciążenie

3. Zrzuty ekranowe

Rysunek 3. Przykładowe wyniki zamieszczone na schemacie układu, przedstawione na zrzucie ekranowym

Rysunek 4. Wykres Sankey'a przedstawiający przepływ mocy w systemie sporządzony w programie komputerowym

4. Tabele pomiarowe i wynikowe

Tabela 1. Zestawienie wartości odczytanych z rzutów ekranowych (dla 3 różnych wartości obciążenia podłączonego )

Qv	pPAL	USTOS	ISTOS	UDC IN	IDC IN	UDC OUT	IDC OUT	IDC BAT	IDC LOAD
L/min	bar	V	A	V	A	V	A	A	A
3,9	1,4	36,2	13,0	35,3	10,7	28,0	13,0	3,0	9,9
6,3	1,4	34,3	21,3	33,5	17,9	28,0	20,7	0,9	19,9
10,5	1,2	30,1	35,6	29,2	30,7	27,5	32,2	1,1	31,0

Q_v - strumień objętości dostarczonego wodoru

Q_i - wartość opałowa wodoru

p_PAL - ciśnienie paliwa

U_STOS - napięcie stosu

I_STOS - natężenie stosu

U_{DC IN} - napięcie za ogniwem

I_{DC IN} - natężenie prądu za ogniwem

U_{DC OUT} - napięcie na wyjściu z systemu

I_{DC OUT} - natężenie prądu na wyjściu z systemu

I_{DC BAT} - natężenie prądu ładującego baterii

I_{DC LOAD} - natężenie prądu ładującego obciążenia

Q_i = 12 770 000 J/m³

Tabela 2. Zestawienie odczytanych wartości mocy z zrzutów ekranowych wraz z mocami obliczonymi (wartości pogrubione - odczytane)

PPAL	PPAL	PSTOS	PSTOS	ΔPSTOS	ΔPSTOS	PSYS	PSYS	PODB	PBAT
W	W	W	W	W	W	W	W	W	W
795	830	453	471	92	93	346	364	277	84
1344	1341	730	731	133	131	584	580	557	25
2249	2235	1085	1072	176	175	893	886	853	30

Tabela 3. Zestawienie odczytanych i obliczonych wartości napięcia i sprawności (wartości pogrubione - odczytane)

UPCV	ηSTOS	ηSYS	ηSYS
mV	A	A	A
1512,7	57	43	44
1371,0	54	43	43
1175,5	48	40	40

P_PAL - moc dostarczona do instalacji z paliwem

P_STOS - moc stosu

ΔP_STOS - straty stosu

P_SYS - moc systemu

P_ODB - moc odbiornika

P_ZO - moc za ogniwem

P_BAT - moc pobierana przez baterię

U_PCV - napięcie sterujące zaworem oczyszczającym

η_STOS - sprawność stosu

η_SYS - sprawność systemu

4. Przykładowe obliczenia

• $P_{\text{PAL}} = Q_{v} \bullet \ Q_{i} = 3,9\ \bullet \ \frac{10^{- 3}}{60}\ \bullet 12\ 770\ 000 = 830\ W\ $
  

• P_STOS = I_STOS •  U_STOS = 13  •  36, 2 = 471 W 
  

• P_SYS = I_{DC OUT} •  U_{DC OUT} = 13  •  28 = 364 W
  

• P_ODB = I_{DC LOAD} •  U_{DC OUT} = 9, 9  •  28 = 277 W

• P_BAT = I_{DC BAT} •  U_{DC OUT} = 3  •  28 = 84 W

• P_ZO = I_{DC IN} •  U_{DC IN} = 35, 3  •  10, 7 = 378 W

• $\eta_{\text{SYS}} = \frac{P_{\text{SYS}}}{P_{\text{PAL}}} = \frac{364}{830} = 0,44\ \bullet 100\% = 44\%$

• $\eta_{\text{STOS}} = \frac{P_{\text{STOS}}}{P_{\text{PAL}}} = \frac{471}{830} = 0,57 \bullet 100\% = 57\%$

• ΔP_STOS = P_STOS −  P_ZO = 471 − 378 = 93 W

4. Uwagi i wnioski

Obliczone wartości poszczególnych parametrów nie odbiegają znacząco od wartości odczytanych z zrzutów ekranowych programu firmy Heliocentris. Różnice w obliczonych wartościach mocy (przykładowo moc dostarczana z paliwem dla pierwszego obciążenia : P=795W i P=830W, gdzie wyższa z wartości została obliczona) mogą wynikać z niestabilności procesu zachodzącego
w ogniwie paliwowym, a także z tego, że zrzuty ekranowe zostały zrobione w pewnej rozbieżności czasowej).
Wraz ze wzrostem strumienia pobieranego paliwa maleje napięcie sterujące zaworem oczyszczającym stos wodorem, co może świadczyć, że im więcej dostarczamy do układu paliwa, nie musimy go oczyszczać w takim stopniu jak mniejsze ilości.

Zauważamy także, że im większy strumień dostarczanego paliwa tym mniejsze jest jego ciśnienie.

Ogniwa typu PEM wydzielają niewielką ilość ciepła, posiadają krótki czas rozruchu a także mają dobrą nadążność w systemach podawanych zmiennym obciążeniem. Ogniwa takie osiągają duże sprawności produkcji energii, nawet do 65%. Sprawności całego badanego systemu wahają się od 40 do 44% i tak im wyższa moc pobierana przez odbiornik, tym niższa sprawność. Straty energii mogą wynikać wynikać z wytwarzania się ciepła oraz wody.