INSTYTUT ELEKTROENERGETYKI ZAKŁAD ELEKTROWNI I GOSPODARKI ELEKTROENERGETYCZNEJ Elektroenergetyka – LABORATORIUM
Ćwiczenie nr	2
Stanowisko nr	2
prowadzący	data wykonania ćwicz.
dr inż. Robert Wróblewski	04.04.2013
Studia (stacjonarne/niestacjonarne, I st. / II st.)	Stacjonarne I st.
semestr	4
grupa	E3
rok akademicki	2012/2013
Skład grupy:	Jakub Jatczak Maciej Gosławski Łukasz Iwicki Krystian Malinowski Bartłomiej Pośpiech
Uwagi:

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z pracą ogniwa wodorowego. Ćwiczenie obejmowało zarówno badanie elektrolizera jak i badanie ogniwa paliwowego.

Spis elementów pomiarowych:

- 3 multimetry cyfrowe - ogniwo PEM
- zasilacz - rezystor suwakowy
- elektrolizer PEM - 3 rezystory kaskadowe

Warunki panujące w laboratorium:

Ciśnienie p = 989 [hPa] temperatura T = 21,9 [⁰C] = 295,05 [K]

I. Elektrolizer PEM

1. Charakterystyka prądowo – napięciowa elektrolizera PEM.

Schemat połączeń :

Tabela pomiarów:

Lp.	U	I
	[V]	[A]
1.	0,30	0,00
2.	0,60	0,00
3.	0,90	0,00
4.	1,20	0,00
5.	1,50	0,07
6.	1,55	0,25
7.	1,60	0,47
8.	1,65	0,74
9.	1,70	1,01
10.	1,75	1,18
11.	1,80	1,43
12.	1,85	1,56
13.	1,90	1,71
14.	1,95	1,87
15.	2,00	2,00

Przy oznaczonej na niebiesko wartości napięcia zaobserwowaliśmy pojawienie się pierwszych bąbelków gazu. Wraz ze wzrostem napięcia na elektrolizerze ilość bąbelków i ich objętość proporcjonalnie rosła.

Punktowa charakterystyka napięciowo-prądowa elektrolizera I=f(U) wraz z przybliżeniem liniowym :

2. Sprawność energetyczna i sprawność Faradaya elektrolizera PEM

Pomiary zostały dokonane dla stałych wartości napięcia i prądu. U = 2 [V]; I = 2 [A]

Pomiary:

Lp.	t	d
	[s]	[cm^3]
1.	0	10
2.	40	20
3.	74	30
4.	115	40
5.	159	50
6.	198	60
7.	238	70
8.	278	80

Wykres punktowy ilości otrzymanego gazu od czasu d = f (t)wraz z przybliżeniem liniowym:

Obliczenia:

$$\eta_{\text{energy}} = \frac{E_{uz}}{E_{\text{po}}} = \ \frac{E_{\text{wodoru}}}{E_{\text{elektryczna}}} = \frac{V_{H}*H_{H}\ }{U*I*t}$$

V_H – objętość wodoru [m³]
H_H – ciepło spalania wodoru równe 12,745*10⁶ [J/m³]
U – napięcie [V]
I – prąd [A]

t – czas [s]

Sprawność energetyczna elektrolizera:

$$\eta_{\text{energy}} = \frac{7*10^{- 5}*12,745*10^{6}}{2*2*278} = \ 0,802 = 80,2\%$$

Sprawność Faradaya elektrolizera PEM

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

gdzie:

V – teoretyczna objętość wytworzonego gazu [m³]

R – uniwersalna stała gazowa równa 8,314 [J/mol*K]

I – prąd [A]

T – temperatura otoczenia [K]

t – czas [s]

F – stała Faradaya 96485 [C/mol]

p – ciśnienie otoczenia [Pa]

z – liczba elektronów koniecznych do uwolnienia cząsteczki dla H₂ = 2, tzn. 2 mole

elektronów są potrzebne do uwolnienia 1 mola H₂, dla O₂ = 4

$$V_{\text{obliczona}} = \ \frac{8,314*2*295,05*278}{96485*98900*2\ } = 71,5\ \lbrack cm^{3}\rbrack$$

V_{H wytworzona} = 70 [cm³]

$$\eta_{\text{Faradaya}} = \frac{\ V_{\text{H\ wytworzony}}}{V_{\text{H\ obliczona}}} = \frac{70}{71,5} = 0,979 = 97,9\%$$

II. Ogniwo paliwowe PEM.

1. Charakterystyka napięciowo-prądowa i krzywa mocy ogniwa paliwowego PEM

Schemat pomiarowy:

Pomiary:

Lp.	R1	R2	R3	U	I	P=U*I
	Ω	Ω	Ω	V	A	W
1	∞	∞	∞	1	0	0
2	300	∞	∞	0,96	0,01	0,0096
3	100	∞	∞	0,94	0,01	0,0094
4	30	∞	∞	0,9	0,03	0,027
5	10	∞	∞	0,88	0,09	0,0792
6	5	∞	∞	0,84	0,17	0,1428
7	3	∞	∞	0,81	0,26	0,2106
8	2	∞	∞	0,78	0,37	0,2886
9	1	∞	∞	0,71	0,66	0,4686
10	1	2	∞	0,66	0,91	0,6006
11	1	1	∞	0,62	1,1	0,682
12	1	1	2	0,59	1,24	0,7316
13	1	1	1	0,56	1,39	0,7784
14	1	2	0	0,43	2,1	0,903
15	1	1	0	0,42	2,17	0,9114
16	1	0	0	0,26	3,15	0,819
17	0	0	0	0,19	3,64	0,6916
18	Zwarcie jednym przewodem	0,11	4,17	0,4587

Czerwony kolor oznacza pomiar dla którego otrzymano najwyższa wartość mocy.

Charakterystyki:

Punktowa prądowo napięciowa U = f (I) wraz z przybliżeniem wielomianowym:

Punktowa charakterystyka krzywej mocy P = f (I)wraz z przybliżeniem wielomianowym

2. Sprawność energetyczna i sprawność Faradaya ogniwa paliwowego PEM.

Pomiary zostały dokonane dla stałej wartości rezystancji. R ₁= 1 Ω; R₂=1 Ω; R₃=∞ Ω

Lp.	d	U	I	t
	[cm^3]	[V]	[A]	[s]
1.	80	0,1	3,95	0
2.	70	0,1	3,9	19
3.	60	0,1	3,96	37
4.	50	0,1	3,98	59
5.	40	0,1	3,96	78
6.	30	0,1	3,92	98
7.	20	0,1	3,78	119
8.	10	0,09	3,58	141

Obliczenia:

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

Gdzie:

H_l – wartość opałowa wodoru równa 10,8*10⁶ [J/m³]

V_H – objętość zużytego wodoru [m³]

U – napięcie [V]

I – prąd [A]

t – czas [s]

$$\eta_{\text{energy}} = \frac{\ U*I*t}{V_{H}*H_{l}} = \frac{3,9*0,1*141}{7*10^{- 5}*10,8*10^{6}} = 0,727 = 72,7\%$$

Sprawność Faradaya:

$$\eta_{\text{Faradaya}} = \frac{\ V_{\text{H\ obliczone}}}{V_{H\ zuzyte}}$$

V_{H zużyte} = 70 [cm³]

$$V_{\text{H\ obliczone}} = \frac{R*I*T*t}{F*p*z} = \frac{8,314*0,1*295,05*141}{96485*98900*2\ } = 18,1\ \lbrack\text{cm}^{3}\rbrack$$

$$\eta_{\text{Faradaya}} = \frac{18,1}{70} = 0,26 = 26\%$$

III. Wnioski.

Ćwiczenie obejmowało badanie dwóch urządzeń: elektrolizera PEM i ogniwa PEM.

Pierwszym etapem było wyznaczenie charakterystyki prądowo-napięciowej elektroliera na podstawie dokonanych pomiarów. Wykreślona krzywa wykazuje że do pewnego napięcia przez elektrolizer nie płynie prąd. Dopiero gdy przyłożone napięcie przekracza 1,5V prąd przepływa przez elektrolizer powodując rozkład wody na wodór i tlen. Teoretyczne napięcie rozkładu wynosi 1,23V. Jednakże w praktyce to napięcie jest wyższe z powodu rezystancji przejściowych. Różnica między wartością teoretyczną i rzeczywistą tego napięcia zależy od wielu czynników, np. od typu i składu materiału elektrod, elektrolitu i temperatury.

Kolejnym etapem badania elektrolizera, było wyznaczenie jego sprawności energetycznej i Faradaya. Pomiary były prowadzone przy stałych wartościach prądu i napięcia, a więc szybkość produkowania wodoru była stała, co potwierdza liniowość otrzymanego na podstawie pomiarów wykresu. Otrzymane na podstawie pomiarów sprawności energetyczne i Faradaya miały kolejno wartości równe 80,2% i 97,9%. Wyniki takie, biorąc pod uwagę dane teoretyczne, są wiarygodne i świadczą o wysokiej jakości elektrolizera.

Badanie ogniwa PEM rozpoczynaliśmy od wyznaczenia krzywej mocy. Na podstawie tej krzywej wyznaczyliśmy parametry dla których moc jest największa, czyli prąd równy 2,17 A i przyłożone napięcie równe 0,42V. Następnie dla wyznaczonych parametrów sprawdzaliśmy ilość zużywanego wodoru w czasie. Z wyników pomiarów wyznaczyliśmy sprawności: energetyczną równą 72,7% i Faradaya równą 26%. O ile sprawność energetyczna nie odbiega zbytnio od oczekiwanych wartości, to sprawność Faradaya jest niespodziewanie niska.