1. Wstęp teoretyczny.

Ogniwo paliwowe PEM służy do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła z wodoru i tlenu poprzez zachodzące w nim reakcje elektrochemiczne. Oznacza to, że energia chemiczna paliw jest zamieniana na energię elektryczną.

Ogniwo paliwowe składa się z dwóch elektrod: anody i katody, membrany i źródła napięcia stałego. Paliwo – czyli wodór, najczęściej zmieszany z innymi gazami, podaje się w sposób ciągły do anody, zaś utleniacz – tlen najczęściej jako powietrze, doprowadzany jest w sposób ciągły do anody. Ważnym kryterium, które klasyfikuje ogniwa, jest rodzaj elektrolit (zajmujący się odseparowywaniem elektrod od siebie). W przypadku ogniw PEM jako elektrolitu używa się membrany mającej za zadanie przepuszczanie jedynie dodatnich jonów wodoru, zaś uniemożliwienie przepływu elektronom. Zatem na anodzie zachodzi reakcja chemiczna, która polega na rozbiciu wodoru na proton i elektron, zaś na katodzie następuje połączenie substratów reakcji.

Reakcja chemiczna zachodząca na anodzie: 2H₂ -> 4H⁺ + 4e

Reakcja chemiczna zachodząca na katodzie: O₂ + 4e -> 2O^-2

Podczas procesów elektrochemicznych następuje również przepływ elektronów od anody do katody bez udziału nieprzepuszczalnej membrany. W wyniku zachodzących przemian na ogniwie PEM otrzymujemy wodę, ciepło oraz prąd elektryczny.

1. Tabele pomiarowa i wynikowe.

$$\dot{\mathbf{B}}$$	IDC LOAD	IDC OUT	UOUT	DC Power	Ppal	Pel	η
$$\frac{\mathbf{l}}{\mathbf{\min}}$$	$$\frac{m^{3}}{s}$$	A	A	V	W	W	W
5,6	0,000093	16,5	18,2	27,6	503,4	1081	455
11,4	0,000190	28,9	30,5	26,7	814,8	2299	772
1,6	0,000027	3	4,9	27,6	134	208	83

Dla danych z pliku tekstowego:

Tambient	Tstack	H2 Flow	$$\dot{\mathbf{B}}$$	Ppal	I DCDC Battery	U	Pel	n
⁰C	⁰C	nl/min	$$\frac{\mathbf{l}}{\mathbf{\min}}$$	m^3/s*10^-5	W*100	A	V	W
24,19	25,41	2	2,01	3,35	0,43	1,49	27,6	41,124
24,5	25,56	1,94	1,95	3,24	0,41	1,48	27,6	40,848
25,44	27,35	1,74	1,75	2,92	0,37	1,8	27,6	49,68
25,62	29,84	1,65	1,67	2,79	0,36	15,42	27,6	425,59
29,13	49,76	1,6	1,71	2,85	0,36	1,94	27,6	53,54

1. Schemat stanowiska.

Schemat narysowany na zajęciach został dołączony do sprawozdania.

1. Przykładowe obliczenia.

Dostarczona moc: $P_{\text{pal}} = \dot{B}*Q*\frac{I_{\text{DC}\ \text{LOAD}}}{I_{\text{DC}\ \text{OUT}}} = 0,000093*12770*\frac{16,5}{18,2} = 455W$

Odebrana moc: P_el = U_OUT * I_DC LOAD = 27, 6 * 16, 5 = 5, 6W

Sprawność: $\eta = \frac{P_{\text{el}}}{P_{\text{pal}}}*100\% = \frac{455}{1081}*100\% = 42\%$

Dla danych z pliku tekstowego:

Strumień objętości: ${\dot{V}}_{\text{ob}} = {\dot{V}}_{H_{2}} \bullet \frac{T_{\text{stack}}}{T_{\text{Ambient}}} = 2*\frac{(25,41 + 273)}{(24,19 + 273)} = 2,01\ \frac{\text{nl}}{\min} = 3,35*10^{- 5}m^{3}/s$

Moc użyteczna: $P_{\text{pal}} = {\dot{V}}_{\text{ob}}*Q = 3,35*10^{- 5}*0,43 = 43\ W$

Dostarczona moc: P_el = V_dc out * I_Battery = 27, 6 * 1, 49 = 41W

Sprawność: $\eta = \frac{P_{\text{pal}}}{P_{\text{el}}} = \frac{41}{0,43} = 96\%$

1. Wykres.

Rysunek Wykres zależności sprawności od uzyskanej mocy.

1. Wnioski.

Sprawność typowego ogniwa wodorowego wynosi 50%, czyli, że połowa dostarczanego powietrza jest zamieniana na energię elektryczną, zaś druga połowa na ciepło. W naszym przypadku sprawność wyniosła najwięcej 42% dla strumienia paliwa równego 5,6 l/min. Pozostałe wartości były już niższe. Można zatem stwierdzić, że podczas doświadczenia większa ilość była zamieniana na ciepło, niż zamieniana na energię elektryczną.

Obliczenia sprawności wykonane z pomiarów z pliku tekstowego nie są miarodajne. Powodem tego jest błąd, który spowodował niezapisanie wartości natężenia na wejściu, zapisując jedynie wartość natężenie na baterii. Spowodowało to błędne obliczenie dostarczonej mocy, a co za tym idzie – sprawności.

Na wykresach Sankey’a można zauważyć, że w miarę zwiększania strumienia objętości dostarczanego paliwa, zwiększają się straty na stosie ogniw paliwowych.