Cel ćwiczenia: Wyznaczanie sprawności oraz charakterystyk prądowo-napięciowych elektrolizera i ogniwa wodorowego.

Zakres materiału:

1. źródła wodoru,

2. właściwości fizykochemiczne wodoru,

3. przebieg procesu elektrolizy wody,

4. zasada działania ogniwa galwanicznego oraz wodorowego,

5. rodzaje ogniwa paliwowych (wady i zalety),

6. zastosowanie ogniw paliwowych, wodorowych,

7. systemy zbiorników na wodór stosowane w transporcie samochodowym.

Przebieg ćwiczenia:

1. Elektroliza wody

1. Podłączyć elektrolizer do źródła prądu (napięcie powinno być ustawione na 0 [V].

Odczytać wartość natężenia prądu przy zmieniającym się napięciu. Pomiary dokonać w zakresie (0-4V)

Aby otrzymać reprezentatywne wyniki należy pomiary wykonywać min. po 30 [s] od zmiany ustawień napięcia.

2. Do elektrolizera podłączyć zbiornik wodoru wypełniony wodą dejonizowaną (zaciski na wężykach mają być zamknięte. Po podłączeniu elektrolizera do źródła prądu, przed rozpoczęciem procesu elektrolizy należy otworzyć zacisk łączący zbiornik wodoru z elektrolizerem. Dokonać pomiaru szybkości napełnienie zbiorniczka przy napięciu 3V i 3.5V.

3 [V]; …..[A]; …..[W]		3.5[V]; …..[A]; …..[W]
V [cm^3]	t [s]	V [cm^3]	t [s]
0		0
10		10
20		20
30		30
40		40
50		50
60		60
70		70
80		80

3. Sporządzić wykres szybkości wypełniania zbiornika wodorem (objętości H₂) w funkcji czasu.

4. Wyznaczyć sprawność energetyczną i elektrolityczną elektrolizera

4.1. Wyznaczanie sprawności energetycznej elektrolizera:

W celu określenia sprawności elektrolizera należy wyznaczyć wartość energii elektrycznej W_el oraz wartość energii wytwarzanego wodoru W_H2:

W_el = U∙I∙t,

W_H2 = n∙Δh_f,

gdzie:

- Δh_f - molowa entalpia reakcji (wartość kaloryczna) dla wodoru; określa ilość energii wydzielanej podczas spalania (tj. utleniania) wodoru, gdy powstająca para wodna kondensuje

do postaci ciekłej: Δh_f = 285840 [J/mol];

- U - napięcie [V]

- I - natężenie [A]

- t- czas [s]

η _energetyczna = W_H2/W_el= n∙Δh_f / U∙I∙t;

ponieważ: n=pV/RT, zatem

η _energetyczna = W_H2/W_el= pV∙Δh_f / R∙T∙U∙I∙t;

η _energetyczna =……………………………………..

4.2. Wyznaczanie sprawności elektrolitycznej elektrolizera:

η _{elektrolityczna} = V_H2/V_VH2t

gdzie:

V_{H2 -} objętość wodoru odebranego z elektrolizera

V_H2t- teoretycznie produkowana ilość wodoru [m³];

Ponieważ:

Ilość moli n substancji wydzielonej na elektrodzie w procesie elektrochemicznym,

wyznaczona z praw Faradaya, wynosi: n =It/zF;

natomiast

V = nRT/p

zatem

V_H2t = I∙t∙R∙T/z∙F∙p

R- stała gazowa - 8.314 [J/mol*K]

F - stała Faradaya - 96500 [C]

P - ciśnienie [Pa]

T- temperatura [K]

t-czas [s]

I - natężenie prądu [A]

z- liczba elektronów biorących udział w procesie elektrodowym w przeliczeniu na jedną cząsteczkę. Dla z_H2 = 2;

V_{H2= ………………….}

V_H2t = ……….

η _{elektrolityczna} =…………………………………………..

2. Ogniwa wodorowe

1. Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniw wodorowych.

Wykonanie ćwiczenia.

Połączyć poszczególne elementy zestawu wg schematu przedstawionego poniżej: elektrolizer - zbiornik wodoru - ogniwo wodorowe. Wypełnić pojemnik na wodór wodą destylowaną (UWAGA na wężykach łączących elektrolizer ze zbiornikiem oraz zbiornik z ogniwem muszą być zaciski!!!). Zdjąć zacisk pomiędzy elektrolizerem a zbiornikiem wodoru i podłączyć elektrolizer do źródła prądu celem wytworzenia wodoru.

Schemat połączenia:

Po napełnieniu zbiorniczka wodorem odłączyć źródło prądu. Podłączyć opornik dekadowy, zdjąć zacisk łączący zbiornik wodoru z ogniwem wodorowym. Zmieniając opór dokonać pomiarów natężenia oraz napięcia.

1. Dla pojedynczego ogniwa

Lp	[Ω]	U [V]	I [A]	P [W]

2. Dla 5 ogniw

Lp	[Ω]	U [V]	I [A]	P [W]

3. Dla 10 ogniw

Lp	[Ω]	U [V]	I [A]	P [W]

4. dla pojedynczego ogniwa (seria nr.2)

Lp	[Ω]	U [V]	I [A]	P [W]

5. dla 3 ogniw połączonych szeregowo (seria nr2)

Lp	[Ω]	U [V]	I [A]	P [W]

1. Sporządzić wykresy: napięcia [V] w funkcji natężenia [A], oraz mocy w funkcji natężenia [A]

Dokonać pomiaru konsumpcji wodoru w funkcji czasu, przy danym napięciu i natężeniu

Zawartość wodoru w zbiorniku VH2 [cm^3]	t [s]	U [V]	I[A]	P [W]

2.1. Obliczyć sprawność energetyczną pojedynczego ogniwa oraz 10 ogniw połączonych szeregowo:

η _energetyczna = W_el/ W_H2 =U∙I∙t/n∙Δh_f

lub

η_energetyczna =R∙T∙U∙I∙t/p∙V∙ Δh_f

gdzie:

V_H2 - objętość konsumowanego wodoru [m³]

U - napięcie [V]

I - Natężenie [A]

t- czas [s]

1. Oszacować maksymalną (termodynamiczną) ogniwa

η_max =Δg_f/ Δh_f

Δg_{f 298} = - 237,2 [J/mol]

η_max = …………

2.3. Obliczyć sprawność elektrolityczną pojedynczego ogniwa oraz ogniw połączonych szeregowo.

η _{elektrolityczna} = V _H2t/V _konsumowane

V_H2t=(R∙I∙T∙t)/(F∙p∙z)

V_H2t- teoretycznie zużyta ilość wodoru [m³]

V_{H2t= ………………….}

V _konsumowane = ……….

η _Faradaya = V _obliczone/V _konsumowane= ……………………………….

4. Sporządzić wykres konsumpcji wodoru w funkcji czasu

Wnioski:

Literatura:

1. P. Grygiel i Henryk Sodolski „Laboratorium Konwersji Energii” (na prawach rękopisu), Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej Politechnika Gdańska, 2006.

2. J. Karniewicz, T. Sokołowski „Podstawy fizyki laboratoryjnej”, Łódź, 1993, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej. 

3. R. Tytko „Odnawialne źródła energii: wybrane zagadnienia”, Warszawa, 2009, OWG.

4. J. Cieśliński, J. Mikielewicz, „ Niekonwencjonalne źródła energii”, Gdańsk: 1996, Wyd. PG.

Imię, Nazwisko:

PWSZ-IT

Badanie systemów ogniw wodorowych z membraną typu PEM.

Kierunek:

Rok

A

V

---