POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH. Ogniwo paliwowe (R-3)

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH Ogniwo paliwowe Laboratorium Energetyki Rozproszonej i Odnawialnych Źródeł Energii (R-3) Opracował: dr inż. Daniel Węcel Sprawdził: Zatwierdził: dr hab. inż. Leszek Remiorz 1

2 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z działaniem ogniwa paliwowego oraz metodami pomiaru charakterystyk pracy ogniw paliwowych typu PEM.. Wprowadzenie.1. Ogniwo paliwowe Ogniwo paliwowe jest urządzeniem w którym dochodzi do generacji energii elektrycznej, z pominięciem przemian cieplnych i mechanicznych. Nie dochodzi w nich do klasycznego spalania paliw, ale zachodzi proces utleniania. W samym ogniwie nie występują również żadne ruchome części. Ograniczenie ilości przemian energii oraz nie podleganie ograniczeniom wynikającym z obiegów silników cieplnych powoduje, że teoretyczna sprawność ogniw paliwowych jest wyższa od silników cieplnych. W praktyce ogniwa paliwowe osiągają sprawności wytwarzania energii elektrycznej na poziomie 40-60%, a w przypadku układów pracujących w skojarzeniu (combined heat and power (CHP) systems), gdzie ciepło produkowane przez ogniwo jest również wykorzystywane, sprawność może osiągnąć poziom 85-90%... Zasada działania H Ciepło O H + H + H + H + Anoda H + Membrana elektrolityczna Katoda e - e - H O e - e - Odbiornik energii elektrycznej Rys. 1. Schemat poglądowy zasady działania ogniwa paliwowego (ogniwa wodorowo-tlenowego) Ogólna zasada działania ogniwa paliwowego opiera się na bezpośredniej konwersji energii chemicznej paliwa w energię elektryczną i ciepło. Szczegółowo można to opisać na przykładzie

3 ogniwa wodorowo-tlenowego, w którym do elektrody ujemnej (anody - platynowy katalizator) dostarczany jest wodór, a do elektrody dodatniej (katody) tlen. Elektrody rozdzielone są membraną elektrolityczną przepuszczającą jedynie dodatnie jony wodoru. W wyniku procesów zachodzących na katalizatorze następuje dysocjacja wodoru, powodująca powstawanie elektronów i dodatnich jonów wodorowych. Elektrycznie obojętny tlen, który jest dostarczany do katody przechwytuje elektrony, przepływające zewnętrznym obwodem elektrycznym, tworząc ujemnie naładowane jony. W ten sposób generowany jest przepływ prądu stałego. Następnie następuje zobojętnienie jonów tlenu dodatnimi jonami wodoru przepuszczanymi przez membranę. Reakcje zachodzące w ogniwie paliwowym przedstawiono poniżej: Anoda: H 4 H e - utlenianie (uwolnienie elektronów) Katoda: O + 4 H e - HO redukcja (absorpcja elektronów) Cała reakcja: H + O HO ΔG = 37 kj/mol (w 5 C) Teoretyczna wartość napięcia dla pojedynczego ogniwa paliwowego zależy od termodynamicznych czynników przemiany wodoru i tlenu w wodę. W warunkach standardowych dla pojedynczego ogniwa wynosi ona 1,3 V. Jako wynik reakcji elektrochemicznej tego procesu powstaje energia elektryczna, woda i wydziela się ciepło (Rys. 1). Proces zachodzący w ogniwie paliwowym jest odwróceniem procesu elektrolizy, w trakcie której następuje rozkład wody na tlen i wodór pod wpływem przepływu prądu. Opisana zasada działania dotyczy ogniwa paliwowego typu PEM wykorzystującego technologię polimerowej membrany elektrolitycznej (w j. ang. polymer elektrolyte membrane fuel cell (PEMFC)). Membrana polimerowa przewodzi protony i służy jako elektrolit. Termin PEM oznacza membranę przewodzącą protony (w j. ang.- proton exchange membrane). 3. Badania i pomiary 3.1. Stanowisko pomiarowe W laboratorium znajdują się następujące urządzenia: a. Miniaturowe ogniwo paliwowe firmy Heliocentris o mocy 360 W [Rys. ] b. Stanowisko pomiarowe systemu FC-4/HLC firmy Heliocentris o mocy 70 W [Rys. 3]. c. Stanowisko pomiarowe systemu FC-4/HLC firmy Heliocentris o mocy 360 W. W skład systemów FC-4/HLC wchodzą stosy ogniw paliwowych typu PEM firmy Schunk o mocy elektrycznej 360 W (zestaw o mocy 70 W składa się z stosów połączonych równolegle) i o parametrach nominalnych: 4 V, 15 A. Ogniwa pracują z autonomicznym układem sterowania, w którego skład wchodzą: układ chłodzenia (zmodyfikowany na potrzeby przeprowadzenia badań, aby umożliwić utrzymanie stałej temperatury powietrza), kompresor (z dodatkowym zbiornikiem wyrównawczym i rotametrem do pomiaru strumienia powietrza), reduktor oraz elektroniczny układ sterujący i zabezpieczający (po przekroczeniu: natężenia prądu ogniwa powyżej 35 A, napięcia ogniwa poniżej 0 V, ciśnienia wodoru na wlocie do układu poniżej 1 bar lub temperatury wody chłodzącej powyżej 55 C odłączane jest obciążenie). Układ jest w stanie mierzyć natężenie prądu oraz napięcie ogniwa, temperaturę powietrza oraz cieczy chłodzącej, a także ciśnienie oraz strumień wodoru zasilającego ogniwa. 3

4 Rys.. Schemat stanowiska pomiarowego miniaturowego ogniwa paliwowego Dane techniczne miniaturowego ogniwa paliwowego: Wymiary (szer. x wys. x głębokość) 70 mm x 70 mm x 85 mm Napięcie 0,4 0,9 (1,0) V Natężenie prądu max ma Zużycie wodoru (przy prądzie 1000 ma) 7 ml/min Nie należy przekraczać wartości natężenia prądu 500 ma!!! 3.. Przepłukiwanie ogniwa Stos ogniw paliwowych podczas pracy jest zasilany wodorem. Regulator ciśnienia wodoru w sposób ciągły uzupełnia zużywany w reakcjach chemicznych wodór. Azot oraz wyprodukowana w reakcjach woda, znajdujące się w strumieniu katodowym, migrują przez membranę polimerową i stopniowo gromadzą się w strumieniu wodoru. Akumulacja azotu i wody po stronie anodowej ogniwa powodują spadek właściwości ogniwa, które są nazywane napięciem komórek zanieczyszczonych. W odpowiedzi na napięcie komórek zanieczyszczonych okresowo jest otwierany zawór oczyszczający, który umożliwia chwilowe połączenie zbiornika anodowego z otoczeniem. Różnica ciśnień powoduje wypłukanie zanieczyszczeń i przywrócenie prawidłowego napięcia pracy komórki (chwilowy wzrost napięcia stosu ogniw). Zużywana jest do tego tylko niewielka ilość wodoru, ok. 3 % jego całkowitego zużycia przy mocy znamionowej. Migracja wody i azotu przez membranę ogniwa paliwowego typu PEM oraz cykliczne otwieranie zaworu czyszczącego powodują zakłócenia wpływające na stabilność pracy ogniwa. Pamiętać o ciśnieniu w zbiorniku wodoru!!! Nie może spaść poniżej 0 bar 4

5 Rys. 3. Schemat stanowiska badawczego systemu FC-4/HLC 3.3. Mierzone wielkości na stanowisku z systemem FC-4/HLC Spadek napięcia na boczniku (natężenie prądu ogniwa paliwowego): [V] Napięcie ogniwa paliwowego: U [V] Ciśnienie wodoru doprowadzonego do stanowiska, przed rotametrem (ustawiane reduktorem). Wskazane jest nastawienie wartości 4 bar ze względu na ciśnienie pracy rotametru. Zakres nastawianych wartości -10 bar (wymagania systemu kontrolno-zabezpieczającego ogniwa paliwowego - FC-4 Evaluation Kit) [bar] U bocz Ciśnienie wodoru przed ogniwem paliwowym, za reduktorem systemu p [mbar] p H H _ FC Strumień wodoru doprowadzonego do ogniwa paliwowego, mierzony rotametrem [l/min] vh Strumień powietrza doprowadzonego do ogniwa paliwowego, mierzony rotametrem. Powietrze dostarczane za pomocą sprężarki, której wydajność zależy od nastawionej wartości współczynnika nadmiaru powietrza λ i natężenia prądu ogniwa paliwowego. vair [l/min] Temperatura powietrza i wody chłodzącej na wlocie i wylocie z ogniwa paliwowego, mierzone termometrami rezystancyjnymi Pt100. tpow _wlot, tpow_wylot,, twody_wlot, twody_wylot [ C] 5

6 Strumień wody chłodzącej ogniwo paliwowe, mierzony.. [l/min] vwody Napięcie i natężenie prądu wentylatorów chłodnicy [V], [A] Napięcie i natężenie prądu pompy wody chłodzącej [V], [A] U went U pomp Moc potrzeb własnych ogniwa paliwowego. Zasilane są: sprężarka powietrza, system kontrolno-pomiarowy. Mierzona jest moc na zasilaniu AC ogniwa paliwowego. [W] P pw I went I pomp 4. Przebieg pomiarów Czynności do wykonania - system FC-4/HLC 4.1. Uruchamianie ogniwa paliwowego: - Otworzyć zawór doprowadzający wodór ze zbiornika ciśnieniowego, - Ustawić ciśnienie na reduktorze 5 bar, - Uruchomić pompę wody chłodzącej i ustawić wydajność na maximum, - Włączyć wentylatory chłodnicy na minimalne obroty, - Włączyć zasilanie układu kontrolnego FC-4 Evaluation Kit ogniwa paliwowego, - Odczekać aż do zakończenia testu szczelności wykonywanego automatycznie przez układ kontrolny. Jeśli test szczelności przebiegł pomyślnie ogniwo paliwowe jest gotowe do podłączenia obciążenia. W przeciwnym wypadku należy wyłączyć i ponownie włączyć układ FC-4 Evaluation Kit. Na ogniwie powinno pojawić się napięcie U 35 V. Jest to tzw. stan jałowy. 4.. Podłączanie obciążenia, - Podłączyć w obwód wyjściowy ogniwa paliwowego minimalne obciążenie (np. dwie żarówki 4 V, 100 W połączone szeregowo), - Nacisnąć na panelu sterującym przycisk LOAD, - Ogniwo paliwowe przechodzi w stan pracy pod obciążeniem, - Ustawić żądaną wartość współczynnika nadmiaru powietrza λ na panelu sterującym, - Ustawić żądaną wartość obciążenia poprzez podłączanie kolejnych odbiorników. 6

7 4.3. Ustalić temperatury pracy ogniwa (temperatury powietrza na wylocie tpow_wylot) na ok. 40 C, poprzez regulację strumienia wody chłodzącej i prędkości obrotowej wentylatorów chłodnicy Odczytać wartości mierzonych wielkości i zapisać w karcie pomiarowej Tab Zmienić obciążenie i powtórzyć czynności z punku 4.3. Ustawienie kilku obciążeń pozwoli wyznaczyć charakterystyki ogniwa paliwowego. Czynności można powtarzać przy różnych wartościach współczynnika nadmiaru powietrza λ (zakres nastawianych wartości 1,5 4) oraz temperatury pracy ogniwa paliwowego (wartości maksymalne 55 C). Charakterystyki ogniwa paliwowego Wyniki pomiarów można przedstawić w formie wykresów ilustrujących zależności: 1 U = f(i) Pel = f(i) 3 ηel = f(i) 4 vh n = f(i) λ = const TFC = const 4.1. Wykonać obliczenia wg poniższych zależności: Natężenie prądu ogniwa paliwowego jest mierzony na boczniku (40 A, 150 mv). Obliczenie natężenia prądu ogniwa paliwowego (napięcie podstawiać w mv): 40 I U bocz [A] 150 Moc elektryczna (moc wyjściowa obwodu DC z ogniwa paliwowego) P el U I Strumień wodoru. Ze względu na pomiar strumienia wodoru przy ciśnieniu 4 bar konieczne jest przeliczenie strumienia na warunki normalne. Gęstość wodoru w warunkach normalnych wynosi 0,0899 kg/m 3. Temperatura wodoru odpowiada temperaturze otoczenia (powietrza) ph T n vh n vh pn Tot Sprawność elektryczna ogniwa paliwowego el Pel W vh H n d Wartość opałowa Wd(H) (LHV) Ciepło spalania Wg(H) (HHV) jednostka J/l 10,78 1,77 MJ/Nm MJ/kg 3 3,54 kwh/nm 3 33,4 39,4 kwh/kg Nm 3 normalne metry sześcienne 7

8 Entalpia tworzenia dla wodoru: 41,83 kj/mol (woda w stanie gazowym), 85,84 kj/mol (woda w stanie ciekłym). Strumień powietrza dla warunków normalnych. Ze względu na pomiar strumienia powietrza rotametrem przystosowanym do pomiaru azotu należy przeliczyć zmierzony strumień na powietrze w warunkach normalnych. Gęstość azotu w warunkach normalnych wynosi N 1,5 kg/m 3, a powietrza 1,93 kg/m 3. Temperatura i ciśnienie powietrza odpowiadają warunkom otoczenia. N pot T n vairn vair p p ot n Tot Rair T ot p n = 1, Pa T n = 73 K Strumień wodoru na przepłukiwanie anody. vh purge 70 0,19 70 I Współczynnik nadmiaru powietrza. Moc cieplna - strumień ciepła: wody cwody = 4189,9 J/kgK. Q wody powietrza cair = 1005 J/kgK air mwody mair c c Moc elektryczna układów pomocniczych: Q aux U went I wody air went vairn t t 0,1 vh n wody _ wylot pow _ wylot U Wskaźnik potrzeb własnych ogniwa paliwowego: P P aux P el pomp t I t wody _ wlot pow _ wlot pomp P pw Wyznaczyć wskaźnik potrzeb własnych w funkcji obciążenia przy dwóch nastawionych współczynnikach nadmiaru powietrza λ = i 4 (wykonać serie pomiarowe). Sprawność systemu generacji energii elektrycznej z wykorzystaniem ogniwa paliwowego: 1 FC el 8

9 5. Karta pomiarowa systemu FC-4/HLC Tab.1. Wielkości mierzone. pot =... Pa; tot =... C ; φ =... %; λ =... Lp. Wielkość Jednostka mierzona 1 Godzina hh:mm:ss Ubocz mv 3 U V 4 ph bar 5 ph_fc mbar 6 vh l/min 7 vair l/min 8 tpow_wlot C 9 tpow_wylot C 10 twody_wlot C 11 twody_wylot C 1 vwody l/min 13 Uwent V 14 Iwent A 15 Upomp V 16 Ipomp A 17 Ppw W Tab.. Wielkości obliczane. Lp. Wielkość Jednostka obliczana 1. I A vhn Nm 3 /s 3 Pel W 4 ηel % 5 λ - 6 Q wody W 7 Q air W 8 Paux W 9 vh purge l/min 10 δ - 11 ηfc % obciążenie I II III IV V VI VII VIII I II III IV V VI VII VIII Do sprawozdania załączyć wykresy zależności: U = f(i); Pel = f(i); ηel = f(i), vh n δ = f(pel); ηfc = f(pel). = f(i), 9

10 6. Karta pomiarowa miniaturowego ogniwa paliwowego Tab.3. Wielkości mierzone. pot =... Pa; tot =... C ; φ =... % Lp. Wielkość Jednostka mierzona 1 Godzina hh:mm:ss I ma 3 U V 4 VH ml 5 czash s tfc C obciążenie I II III IV V VI VII VIII Tab.4. Wielkości obliczane. Lp. Wielkość Jednostka obliczana 1 vhn Nm 3 /s Pel W 3 ηel % I II III IV V VI VII VIII Do sprawozdania załączyć wykresy zależności: U = f(i); Pel = f(i); ηel = f(i), vh n = f(i). 7. Sprawozdanie. Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Stronę tytułową.. Wstęp teoretyczny dotyczący ogniw paliwowych 3. Schemat stanowiska pomiarowego wraz z zaznaczonymi miejscami pomiaru określonych wielkości. Opis badanego ogniwa paliwowego oraz przyrządów wykorzystanych podczas pomiarów. 4. Tabelę wyników pomiarowych i obliczeń oraz wzory używane do obliczeń. 5. Charakterystyki U = f(i); Pel = f(i); ηel = f(i), 6. Uwagi i wnioski. vh n = f(i). 10