Ćwiczenie nr 4	Temat ćwiczenia: Ogniwo paliwowe metanolowopowietrzne	Sprawozdanie
Nr zespołu: 1	Wydział, rok, grupa: WEiP, III, 5	Data: 19.10.2009r.
Nazwisko i imię	Ocena
	Teoria	Wykonanie ćwiczenia
1. Borycki Mateusz
2. Kubecki Rafał
Elementy układu: 1) model samochodu, 2) opornica dekadowa, 3) woltomierz, 4) komplet kabli,	Dodatkowe elementy: 5) plastikowa butelka z 2% metanolem, 6) stoper,

1. Cel ćwiczenia:

Celem tego ćwiczenia było wyznaczenie dwóch charakterystyk: prądowo-napięciowej oraz zależności mocy od prądu dla ogniwa paliwowego metanolowo-powietrznego. Po tym należało wyznaczyć wartość mocy N_S potrzebnej do obracania kołem modelu.

1. Wprowadzenie:

Ogniwa paliwowe polimerowe metanolowo-powietrzne i wodorowo-tlenowe mają podobną budowę. Główna różnica związana jest ze sposobem ich zasilania: pierwsze zasilane jest bezpośrednio gazowym wodorem, drugie wodnym roztworem metanolu (stężenie ok.2%).

Ogniwa polimerowe składają się z dwóch porowatych elektrod węglowych umieszczonych po przeciwnych stronach polimerowej membrany, spełniającej zadanie elektrolitu. W warstwie węglowej bezpośrednio przylegającej do membrany znajduje się rozproszona platyna, stanowiąca katalizator procesów elektrodowych. Na zewnątrz elektrod znajdują się kolektory prądu. Zawierają one kanały umożliwiające stały kontakt gazów z całą powierzchnią elektrod. Umożliwiają też odprowadzenie produkowanej wody.

Paliwem w ogniwie wodorowo-tlenowym jest wodór, utleniany na anodzie, gdzie uwalniane są elektrony. Elektrony przepływają z anody przez zewnętrzny obwód do katody. Jony wodoru przepływają przez polimerową membranę-elektrolit do katody, gdzie neutralizują ładunek przenoszony obwodem zewnętrznym przez elektrony. Teoretycznie najwyższe napięcie dla tego ogniwa wynosi 1,23V. W związku ze stratami spowodowanymi przez nieodwracalność procesu, wewnętrzną oporność i niewydajną dyfuzję gazów, w praktyce ogniwo pracuje w zakresie napięć: 0,6-0,9V.

Równania reakcji elektrodowych:

anoda

katoda

Paliwem w ogniwie metanolowo-powietrznym jest metanol, bezpośrednio utleniany na anodzie, gdzie uwalniany jest CO2. W procesie utleniania protony przepływają przez membranę, tak jak w ogniwie zasilanym wodorem. Elektrony płyną przez zewnętrzny obwód do katody, gdzie z tlenem i protonami tworzą wodę. Ponieważ proces utleniania metanolu na anodzie przebiega wolniej niż w przypadku utleniania wodoru, w ogniwie tym stosuje się większe ilości katalizatora ( Pt-Rh ). Teoretyczne napięcie ogniwa wynosi 1,21V.

Równania reakcji elektrodowych:

anoda

katoda

Schemat stanowiska

1.4 Przebieg ćwiczenia:

Stanowisko do pomiaru ogniwa paliwowego metanolowo-powietrznego składa się z modelu samochodu zasilanego 2% roztworem metanolu, opornicy dekadowej oraz woltomierza. Pierwszym etapem w wykonani ćwiczenia było napełnienie zbiornika modelu samochodu roztworem metanolu stanowiącym jego paliw. Po pewnym czasie przy przestawieniu przełącznika ON/OFF na pozycję ON koło zaczęło się obracać. Po odczekaniu 20 minut przestawiliśmy wyłącznik na pozycje OFF wyłączając obciążenie zewnętrzne ogniwa. Po upływie kolejnych 10 minut odczytaliśmy napięcie ogniwa rozwartego (R = ∞). Potem przyłączyliśmy obciążenie zewnętrzne do ogniwa paliwowego, które było zmieniane w trakcie ćwiczenia. Dokonaliśmy pomiarów napięcia na woltomierzu dla kolejnych wartości oporów. Ostatecznie odczytaliśmy wartość U_S napięcia silnika.

1.5 Charakterystyki U = f( I ) oraz N = f( I ):

Opor R (Ω)	Napięcie U (V)	Natężenie I (mA)	Moc Ogniwa Nn (mW)
∞	0,48	0,00	0
100000	0,485	4,85	2,35
10000	0,481	48,10	23,14
5000	0,461	92,20	42,50
1000	0,422	422,00	178,08
750	0,412	549,33	226,33
500	0,395	790,00	312,05
300	0,373	1243,33	463,76
200	0,353	1765,00	623,05
100	0,313	3130,00	979,69
70	0,29	4142,86	1201,43
50	0,267	5340,00	1425,78
30	0,227	7566,67	1717,63
20	0,194	9700,00	1881,80
10	0,138	13800,00	1904,40
9	0,13	14444,44	1877,78
8	0,121	15125,00	1830,13
7	0,112	16000,00	1792,00
6	0,101	16833,33	1700,17
5	0,09	18000,00	1620,00
4	0,077	19250,00	1482,25
3	0,062	20666,67	1281,33
2	0,045	22500,00	1012,50
1	0,025	25000,00	625,00
Silnik Modelu	0,24	6450	15800

Dla napięcia kręcących się kół modelu U_S = 0,24 V natężenie prądu płynącego przez silnik odczytane z wykresu wynosi I_S = 6450 mA, a odczytana wartość mocy potrzebnej do obracania kołem modelu N_S = 15800 mW.

1.6 WNIOSKI:

Otrzymana zależność prądowo-napięciowa dla ogniwa polimerowego metanolowo-powietrznego jest funkcją malejącą. Na początku małym zmianom prądu odpowiadają duże zmiany napięcia. Od wartości prądu odpowiadającej napięciu silnika charakterystyka zaczyna przypominać w pewnym przybliżeniu linię prostą.

Charakterystyka mocy N = f(I) przypomina parabolę odwróconą ramionami do dołu. Po osiągnięciu maksimum wartość mocy spada.

Teoretyczne napięcie ogniwa, (przy którym zachodzi elektroliza) dla badanego ogniwa wynosi 1,21 V. W naszych pomiarach uzyskaliśmy napięcie U = 0,485 V, a więc napięcie to jest znacznie niższe od napięcia teoretycznego. Obniżenie napięcia ogniwa spowodowane może być przenikaniem paliwa przez membranę do katody ogniwa, wiąże się to także ze zmniejszeniem sprawności faradajowskiej.