Laboratorium konwersji energii

Tytuł ćwiczenia: Ogniwo paliwowe PEM

Prowadzący: mgr inż. Michał Ostrycharczyk

Termin zajęć: Poniedziałek TN 13.15

Numer grupy: BN 5

Skład grupy: Karolina Żegiestowska 187230

Paweł Bielecki 186984

Data przeprowadzenia ćwiczenia: 26.03.2012

Data oddania sprawozdania: 23.04.2012

Wstęp teoretyczny

Ogniwa paliwowe są urządzeniami elektro-chemicznymi, które pozwalają na uzyskanie energii elektrycznej i ciepła bezpośrednio z zachodzącej w nich reakcji elektrochemicznej. W badanych ogniwach zachodzi konwersja energii paliwa (wodór) na energię elektryczną.

Ogniwo używane na zajęciach było ogniwem typu PEM (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Jest ono zbudowane z dwóch elektrod: anody i katody odseparowanych elektrolitem – membraną, przepuszczającą tylko jony dodatnie wodoru. Reakcja chemiczna zachodząca w ogniwie polega na rozbiciu wodoru na proton i elektron na anodzie, a następnie połączeniu substratów reakcji na katodzie. Procesom elektrochemicznym towarzyszy przepływ elektronu od anody do katody z pominięciem nieprzepuszczalnej membrany. W wyniku elektrochemicznej reakcji wodoru i tlenu powstaje prąd elektryczny, woda i ciepło.

Wodór jako paliwo jest doprowadzany w sposób ciągły do anody, a tlen jako utleniacz w sposób ciągły do katody. Membrana jest wykonana z materiału polimerowego.

Schemat pomiarowy

Rysunek 1. Schemat układu pomiarowego

Tabele pomiarowe i wynikowe

Tabela 1. Tabela pomiarowa i wynikowa dla obciążenia 500W

B	$$\overset{\overline{}}{B}$$	B*	Ppal
l/min	l/min	m^3/s	W
7,62	6,79	0,000101	1289,9
7,41	m^3/s	Iobc	Pel
7,195	0,000113	A	W
7,075		19,8	500
6,925		Ibat	η
6,86		A
6,765		2,4	0,388
6,685
6,605
6,54
6,5
6,47
6,455
6,415
6,415

Tabela 2. Tabela pomiarowa i wynikowa dla obciążenia 1000W

B	$$\overset{\overline{}}{B}$$	B*	Ppal
l/min	l/min	m^3/s	W
14,06	13,52	0,00022	2806,4
13,895	m^3/s	Iobc	Pel
13,685	0,000225	A	W
13,55		38,6	1000
14,94		Ibat	η
13,16		A
13,305		1	0,356
13,335
13,16
13,105
13,135
14,23
13,07
13,135
13,145

Tabela 3. Tabela pomiarowa i wynikowa dla obciążenia 75W

B	$$\overset{\overline{}}{B}$$	B*	Ppal
l/min	l/min	m^3/s	W
1,215	1,21	1,52*10^-5	194,3
1,215	m^3/s	Iobc	Pel
1,215	2,01*10^-5	A	W
1,215		3,1	75
1,2		Ibat	η
1,19		A
1,19		1	0,386
1,19
1,2
1,2
1,19
1,19
1,19
1,2
1,2
1,2
1,215
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,215
1,215
1,215
1,225
1,225
1,215
1,225
1,215
1,225
1,225
1,225
1,225

Obliczenia

$$\overset{\overline{}}{B} = \frac{\sum_{}^{}B}{n} = \frac{7,62 + \ldots + 6,415}{15} = 6,79\frac{l}{\min} = 0,000113\frac{m^{3}}{s}$$

$$B* = \overset{\overline{}}{B} \bullet \frac{I_{\text{obc}}}{I_{\text{obc}} + I_{\text{bat}}} = 0,000113 \bullet \frac{19,8}{19,8 + 2,4} = 0,000101\frac{m^{3}}{s}$$

P_pal = B * •Q = 0, 000101 • 12770000 = 1289, 9 J

$$\eta = \frac{P_{\text{el}}}{P_{\text{pal}}} = \frac{500}{1289,9} = 0,388$$

Wykresy

Rysunek 2. Wykres sprawności w funkcji wytwarzanej mocy elektrycznej

Uwagi i wnioski

Z wykresu sprawności od mocy elektrycznej można wywnioskować, że sprawność spada wraz ze wzrostem wytwarzanej mocy elektrycznej. Mimo wszystko wartości są jednak do siebie zbliżone.

Do niewątpliwych zalet ogniw paliwowych należy ich niezawodność, wysoka jakość dostarczanej energii, odporność na zakłócenia, wysoka sprawność, mała waga i wymiary, nikła emisja zanieczyszczeń. Ogniwo paliwowe nie emituje hałasu i nie wydziela dużych ilości ciepła. Wadą może być to, że ta technologia jest jeszcze mało rozpowszechniona i droga.