INSTYTUT ELEKTROENERGETYKI ZAKŁAD ELEKTROWNI I GOSPODARKI ELEKTROENERGETYCZNEJ ELEKTROENERGETYKA - LABORATORIUM
Ćwiczenie nr	2
Stanowisko nr
Prowadzący:	data wykonania ćwicz.
Mgr inż. Bartosz Ceran	11.03.2013r.
Studia (stacjonarne/niestacjonarne, I st. / II st.)	Stacjonarne, I St.
semestr	IV
grupa	E-6-1
rok akademicki	2012/2013
Sprawozdanie wykonali:	Krystyna Gadomska
Uwagi:

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zbadanie właściwości elektrolizera PEM i ogniwa wodorowego. Dla elektrolizera zbadaliśmy wartości prądu od przyłożonego napięcia, dzięki czemu wyznaczyliśmy charakterystykę prądowo-napięciową, charakterystykę przyrostu produkowanego wodoru w czasie oraz sprawności: energetyczną i Faradaya.

Natomiast dla ogniwa wodorowego: również charakterystykę prądowo-napięciową, sprawności: energetyczną i Faradaya. Ponadto wyznaczona została krzywa mocy i zależność zużycia wodoru od czasu pracy ogniwa.

1. Przebieg ćwiczenia

2.1. a)

Celem ćwiczenia było zbadanie zależności prądu od przyłożonego napięcia zasilającego. Elektrolizer rozdziela wodę na wodór i tlen. Napięcie zasilające musi przekraczać wartość progową (napięcie dekompozycji). Poniżej tego napięcia rozdzielanie wody nie zachodzi. Celem badania jest wyznaczenie wartości tegoż napięcia.

Mieliśmy za zadanie wyznaczyć równania prostych – charakterystyki elektrolizera – wynikiem przecięcia jest wartość napięcia dekompozycji.

Przyłączyliśmy elektrolizer do źródła napięcia zgodnie z poniższym schematem. Początkowo napięcie było ustawione na 0V, następnie zwiększaliśmy je maksymalnie do 2V.

Aparatura:

- elektrolizer PEM

- woltomierz

- amperomierz

-nieregulowane źródło napięcia

-opornik dekadowy (równolegle połączony ze źródłem służył do regulacji napięcia)

Tab.2.1.a) 1

Lp.	U[V]	I[A]
1	0,00	0,00
2	0,12	0,00
3	0,21	0,00
4	0,34	0,00
5	0,42	0,00
6	0,53	0,00
7	0,64	0,00
8	0,74	0,00
9	0,82	0,00
10	0,92	0,00
11	1,08	0,00
12	1,18	0,00
13	1,31	0,00
14	1,43	0,01
15	1,45	0,01
16	1,46	0,02
17	1,47	0,03
18	1,48	0,03
19	1,49	0,06
20	1,50	0,07
21	1,51	0,09
22	1,52	0,12
23	1,53	0,17
24	1,54	0,19
25	1,55	0,23
26	1,65	0,74
27	1,75	1,21
28	1,85	1,83
29	1,91	2,02

Napięcie dekompozycji wynosi w rzeczywistości 1,43 V (zostało wyróżnione w tabeli).

2.1.b) Wyznaczenie sprawności energetycznej, sprawności Faradaya elektrolizera PEM

Pomiar czasu rozpoczęliśmy w momencie kiedy poziom wody w zbiorniku znajdował się przy kresce 0 cm³. Czas spisywaliśmy co 10 cm³ przybytku wodoru.

Schemat układu pomiarowego jest taki sam jak 2.1.a)

Aparatura:

-elektrolizer PEM

-wyskalowany zbiornik wodoru

-woltomierz

-amperomierz

-stoper

-nieregulowane źródło napięcia

-opornik dekadowy

Warunki przy pomiarach:

Temperatura pomieszczenia: t=21,3 =294, 45 [K]

Ciśnienie: p=982 hPa = 98200 Pa

Prąd: I=2,05 A

Napięcie: U=1,83 V

Tab.2.1.b) 1

Lp	V[cm^3]	t[s]
1	10	0
2	20	44
3	30	84
4	40	124
5	50	164
6	60	202
7	70	243
8	80	283

2.2.a) Wyznaczenie charakterystyka prądowo-napięciowej ogniwa paliwowego PEM oraz jego krzywej mocy. W badaniu zmienialiśmy wartość rezystancji, a co za tym idzie prądu, aby osiągnąć optymalną moc ogniwa paliwowego. Zaczęliśmy od bardzo dużej wartości rezystancji, którą można było przyjąć za „nieskończenie dużą” dla naszego układu, następnie stopniowo ją zmniejszaliśmy do wartości bardzo małych (uważaliśmy, aby rezystancja nie osiągnęła wartości równej zero, aby przy zwarciu nie doszło do uszkodzenia układu). Obserwowaliśmy i zapisywaliśmy wartości prądu i napięcia w obwodzie. Aby wskazy były wiarygodne należało odczekać 20 sekund przed spisaniem pomiaru.

Układ pomiarowy:

Aparatura:

-ogniwo paliwowe H₂

-elektrolizer PEM

-woltomierz

-amperomierz

-opornik dekadowy

-zbiornik wodoru

Tab.2.2.a) 1

Lp.	R[Ω]	U[V]	I[A]	P[W]
1	∞	1,02	0	0
2	330	0,98	0	0
3	100	0,95	0,01	0,0095
4	33	0,91	0,03	0,0273
5	10	0,87	0,08	0,0696
6	5	0,84	0,17	0,1428
7	3	0,81	0,26	0,2106
8	2	0,78	0,38	0,2964
9	1	0,72	0,67	0,4824
10	0,5	0,63	1,12	0,7056
11	0,3	0,57	1,41	0,8037

2.2.b) Wyznaczanie zależności zużycia wodoru od czasu w ogniwie wodorowym PEM, sprawności energetycznej i Faradaya. Sprawdzaliśmy jak zmienia się zużycie wodoru (zaczęliśmy od poziomu 80 cm³, a skończyliśmy na 10 cm³) , jak w czasie zmienia się jego objętość. Ponadto badaliśmy wartości napięcia i prądu.

Układ pomiarowy jest taki sam jak 2.2.a)

Aparatura:

-ogniwo paliwowe H₂

-elektrolizer PEM

-woltomierz

-amperomierz

-opornik dekadowy

-zbiornik wodoru

-stoper

Tab.2.2.b) 1

Lp.	V[cm^3]	t[s]	U[V]	I[A]
1	80	0	0,63	1,12
2	70	63	0,62	1,11
3	60	134	0,62	1,11
4	50	206	0,62	1,10
5	40	280	0,62	1,10
6	30	355	0,61	1,09
7	20	426	0,61	1,09
8	10	492	0,61	1,09

1. Obliczenia

Ad. 2.1.a) Wyznaczenie równań prostych – charakterystyka elektrolizera

Oś X – U[V]

Oś Y – I[A]

Równanie pierwszej prostej:

y=ax+b

dla punktów:

X1=0,00

Y1=0,12

X2=0,00

Y2=1,31

y=0

Równanie drugiej prostej:

y=a+b

dla punktów:

X1=1,43

Y1=0,01

X2=1,91

Y2=2,02

0, 01 = 1, 43a + b

2, 02 = 1, 91a + b

y=4, 19x − 5, 98

Ad.2.1.b) Wyznaczenie sprawności energetycznej i Faradaya elektrolizera PEM

Obliczenie sprawności energetycznej elektrolizera:

$$\eta_{\text{energy}} = \frac{E_{\text{uz}}}{E_{\text{po}}} = \frac{V_{H_{2}}*H_{h}}{U*I*t}$$

Przykładowe obliczenia:

$\eta_{\text{energy}} = \frac{7*10^{- 5}m^{3}*12,745*10^{6}\frac{J}{m^{3}}}{1,83V*2,05A*283s} = 0,84032 \approx 84\%$

Gdzie:

H_h - ciepło spalania wodoru = 12,745*10⁶ J/m³

V_H2- objętość wyprodukowanego wodoru w m³

U – napięcie w V

I – prąd w A

T – czas w s

Obliczenie teoretycznej objętości wytworzonego gazu, która będzie konieczna do wyliczenia sprawności Faradaya:

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

Gdzie:

V – teoretyczna objętość gazu wytworzonego m³

R – uniwersalna stała gazowa 8,314 $\frac{J}{mol*K}$

P – ciśnienie otoczenia w Pa (1P=1 $\frac{N}{m^{2}}$)

F – stała Faradaya 96485 $\frac{C}{\text{mol\ }}\ (1C = 1As)$

T - temperatura otoczenia w K

I – prąd w A

t – czas w s

Z – liczba elektronów koniecznych do uwolnienia cząsteczki; dla H₂ = 2,  dla 0₂ = 4

Sprawność Faradaya:

$$\eta_{\text{Faradaya}} = \frac{V_{H_{2}\text{wytworzony}}}{V_{H_{2}\text{obliczony}}}$$

Przykładowe obliczenia:

$$V = \frac{R*I*T*t}{F*p*z} = \frac{8,314\frac{J}{mol*K}*2,05A*294,45K*283s}{96485\frac{C}{\text{mol\ }}*98200Pa*2}$$

V = 7, 495 * 10⁻⁵m³ = 74, 95cm³

$$\eta_{\text{Faradaya}} = \frac{V_{H_{2}\text{wytworzony}}}{V_{H_{2}\text{obliczony}}} = \frac{70}{74,95} = 0,93396 \approx 94\%$$

η_Faradaya = 94%

Ad.2.2.a) Obliczenie mocy ogniwa paliwowego:

P = U * I

Przykładowe obliczenie mocy:

P = U * I = 0, 95 * 0, 01 = 0, 0095 = 9, 5 * 10⁻³

Ad.2.2.b) Wyznaczenie sprawności energetycznej i Faradaya ogniwa paliwowego PEM

Obliczenie sprawności energetycznej elektrolizera:

$$\eta_{\text{energy}} = \frac{E_{\text{elektr}}}{E_{\text{wodoru}}} = \frac{U*I*t}{V_{H_{2}}*H_{l}}$$

Przykładowe obliczenia:

$\eta_{\text{energy}} = \frac{0,61V*1,09A*492s}{70*10^{- 6}m^{3}*10,8*10^{6}\frac{J}{m^{3}}} = 0,4327 \approx 43,27\%$

Gdzie:

H_l - H_l- wartość opałowa wodoru = 10,8 * 10⁶ J/m³

V_H2- objętość zużytego wodoru w m³

U – napięcie w V

I – prąd w A

T – czas w s

Obliczenie teoretycznej objętości wytworzonego gazu, która będzie konieczna do wyliczenia sprawności Faradaya:

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

Gdzie:

V – teoretyczna objętość gazu wytworzonego m³

R – uniwersalna stała gazowa 8,314 $\frac{J}{mol*K}$

P – ciśnienie otoczenia w Pa (1P=1 $\frac{N}{m^{2}}$)

F – stała Faradaya 96485 $\frac{C}{\text{mol\ }}\ (1C = 1As)$

T - temperatura otoczenia w K

I – prąd w A

t – czas w s

Z – liczba elektronów koniecznych do uwolnienia cząsteczki; dla H₂ = 2,  dla 0₂ = 4

Sprawność Faradaya:

$$\eta_{\text{Faradaya}} = \frac{V_{H_{2}\text{obliczony}}}{V_{H_{2}zuzyty}}$$

Przykładowe obliczenia:

$$V = \frac{8,314\frac{J}{\text{mol}*K}*1,09A*294,45K*492s}{96485\frac{C}{\text{mol}\ }*0,98200Pa*2}$$

V = 6, 9281 * 10⁻⁵m³ = 69, 3cm³

$$\eta_{\text{Faradaya}} = \frac{V_{H_{2}\text{obliczona}}}{V_{H_{2}\text{zu}z\text{yta}}}$$

$$\eta_{\text{Faradaya}} = \frac{69,3}{70} = 0,99 = 99\%$$

1. Wykresy

Ad.2.1.a)

Ad.2.1.b)

Ad.2.2.a)

2.2.b)

1. Wnioski

- Napięcie dekompozycji jest w rzeczywistości wyższe od teoretycznego, w naszym badaniu było =1,43 V, a nie 1,23 V, spowodowane jest to rezystancjami przejściowymi układu

- W czasie elektrolizy dwa razy wyższa jest produkcja tlenu niż wodoru – wynika to z budowy cząsteczki wody - H₂0

-Bardzo wysoka sprawność energetyczna i Faradaya (odpowiednio 84% i 94%) – jednakże w praktyce stosuje się sprawności energetyczne. Dobre urządzenie do produkcji wodoru, który samodzielnie nie występuje w przyrodzie

-Regulując rezystancję możemy zmieniać prąd, a co za tym idzie moc ogniwa paliwowego PEM (im mniejszy opór, tym większy prąd i większa moc)

-Sprawność energetyczna ogniwa paliwowego jest dobra (ok.43%), ale nie tak wysoka jak elektrolizera

-Produkcja wodoru w czasie w elektrolizerze liniowo rośnie, a zużycie wodoru w czasie ogniwie paliowym malejeliniowo