Sprawozdanie z laboratorium proekologicznych źródeł energii

Podobne dokumenty
INSTRUKCJA LABORATORYJNA NR 2-OP BADANIE OGNIW PALIWOWYCH

Laboratorium odnawialnych źródeł energii. Ćwiczenie nr 5

Akademickie Centrum Czystej Energii. Ogniwo paliwowe

Laboratorium ogniw paliwowych i produkcji wodoru

1. BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA OGNIWA PALIWOWEGO

Ćwiczenie 5. Testowanie ogniwa paliwowego wodorowego zasilanego energią pochodzącą z konwersji fotowoltaicznej

Wyznaczanie podstawowych parametrów ogniwa paliwowego

Ćwiczenie 5. Testowanie ogniwa paliwowego wodorowego zasilanego energią pochodzącą z konwersji fotowoltaicznej

LABORATORIUM PRZEMIAN ENERGII

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyki prądowo- napięciowej elektrolizera typu PEM,

STAN OBECNY I PERSPEKTYWY WYKORZYSTANIA OGNIW PALIWOWYCH

OGNIWA PALIWOWE. Zapewniają ekologiczne sposoby wytwarzania energii w dobie szybko wyczerpujących sięźródeł paliw kopalnych.

Eksperyment 2.2. Charakterystyka IU elektrolizera. Zadanie. Wykonanie

Laboratorium z Konwersji Energii. Ogniwo Paliwowe PEM

ĆWICZENIE 1. Ogniwa paliwowe

Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI

SOFC. Historia. Elektrochemia. Elektroceramika. Elektroceramika WYKONANIE. Christian Friedrich Schönbein, Philosophical Magazine,1839

Instrukcja wykonywania eksperymentów (fragmenty) do Zestawu Profesjonalnego hydro-genius

Ogniwo paliwowe typu PEM (ang. PEM-FC)

E1. OBWODY PRĄDU STAŁEGO WYZNACZANIE OPORU PRZEWODNIKÓW I SIŁY ELEKTROMOTORYCZNEJ ŹRÓDŁA

EFEKT FOTOWOLTAICZNY OGNIWO SŁONECZNE

Sprawozdanie z laboratorium proekologicznych źródeł energii

Zespół Szkół Technicznych im. J. i J. Śniadeckich w Grudziądzu

Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Informatyki

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA

LABORATORIUM TERMODYNAMIKI ĆWICZENIE NR 3 L3-1

OGNIWA PALIWOWE SPOSOBY NA KRYSYS ENERGETYCZNY

CHP z ogniwem paliwowym Przegląd rynku

JEDNOKOMOROWE OGNIWA PALIWOWE

MATERIAŁY W BUDOWIE OGNIW PALIWOWYCH

Bezemisyjna energetyka węglowa

Laboratorium Metrologii

Wyznaczanie parametrów równania Tafela w katodowym wydzielaniu metali na elektrodzie platynowej

Stanowisko do badania ogniwa paliwowego Nexa 1,2 kw

LVI OLIMPIADA FIZYCZNA (2006/2007). Stopień III, zadanie doświadczalne D

BADANIE EFEKTU HALLA. Instrukcja wykonawcza

Ćwiczenie 1: Wyznaczanie warunków odporności, korozji i pasywności metali

EFEKT FOTOELEKTRYCZNY ZEWNĘTRZNY

LI OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP II Zadanie doświadczalne

BADANIE CHARAKTERYSTYK FOTOELEMENTU

13 K A T E D R A F I ZYKI S T O S O W AN E J

Ćwiczenie nr 5 Doświadczenie Franka-Hertza. Pomiar energii wzbudzenia atomów neonu.

Pracownia Automatyki i Elektrotechniki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 1. Połączenia szeregowe oraz równoległe elementów RC

Ćwiczenie 16. Temat: Wzmacniacz w układzie Darlingtona. Cel ćwiczenia

Ćwiczenie 14 Temat: Pomiary rezystancji metodami pośrednimi, porównawczą napięć i prądów.

LVI Olimpiada Fizyczna Zawody III stopnia

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW

Laboratorium Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki

Możliwości magazynowania energii elektrycznej z OZE

Sprawozdanie z zajęć laboratoryjnych: Fizyka dla elektroników 2

NIEZBĘDNY SPRZĘT LABORATORYJNY

Tranzystor bipolarny LABORATORIUM 5 i 6

Ile wynosi całkowite natężenie prądu i całkowita oporność przy połączeniu równoległym?

Ogniwa paliwowe (fuel cells)

Wysoka sprawność ogniwa paliwowego zasilanego metanolem

NIEZBĘDNY SPRZĘT LABORATORYJNY

Charakterystyki prędkościowe silników spalinowych

Statyczne badanie wzmacniacza operacyjnego - ćwiczenie 7

Energia promieniowania termicznego sprawdzenie zależności temperaturowej

Drgania wymuszone - wahadło Pohla

3.5 Wyznaczanie stosunku e/m(e22)

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE. Ćwiczenie nr 2 Temat: Wyznaczenie współczynnika elektrochemicznego i stałej Faradaya.

METROLOGIA EZ1C

Wyznaczanie cieplnego współczynnika oporności właściwej metali

Badanie własności hallotronu, wyznaczenie stałej Halla (E2)

Ćwiczenie nr 4. Badanie filtrów składowych symetrycznych prądu i napięcia

Ćwiczenie 21 Temat: Komparatory ze wzmacniaczem operacyjnym. Przerzutnik Schmitta i komparator okienkowy Cel ćwiczenia

ε (1) ε, R w ε WYZNACZANIE SIŁY ELEKTROMOTOTYCZNEJ METODĄ KOMPENSACYJNĄ

Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego nr 5

E12. Wyznaczanie parametrów użytkowych fotoogniwa

Badanie charakterystyki prądowo-napięciowej opornika, żarówki i diody półprzewodnikowej z wykorzystaniem zestawu SONDa

Ćw. 27. Wyznaczenie elementów L C metoda rezonansu

13. TERMODYNAMIKA WYZNACZANIE ENTALPII REAKCJI ZOBOJĘTNIANIA MOCNEJ ZASADY MOCNYMI KWASAMI I ENTALPII PROCESU ROZPUSZCZANIA SOLI

Laboratorium z Konwersji Energii SILNIK SPALINOWY

Ćwiczenie 24 Temat: Układy bramek logicznych pomiar napięcia i prądu. Cel ćwiczenia

Ćwiczenie 01. Temat: Własności diody Zenera Cel ćwiczenia

Ćw. III. Dioda Zenera

Wyznaczanie sprawności grzejnika elektrycznego i ciepła właściwego cieczy za pomocą kalorymetru z grzejnikiem elektrycznym

IV. PREFEROWANE TECHNOLOGIE GENERACJI ROZPROSZONEJ

Ćwiczenie 425. Wyznaczanie ciepła właściwego ciał stałych. Woda. Ciało stałe Masa kalorymetru z ciałem stałym m 2 Masa ciała stałego m 0

Wyznaczanie krzywej ładowania kondensatora

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego. Temperaturowa charakterystyka termistora typu NTC

Ćwiczenie 8 Temat: Pomiar i regulacja natężenia prądu stałego jednym i dwoma rezystorem nastawnym Cel ćwiczenia

Badanie diody półprzewodnikowej

Ćwiczenie 1 Metody pomiarowe i opracowywanie danych doświadczalnych.

Efekt Halla. Cel ćwiczenia. Wstęp. Celem ćwiczenia jest zbadanie efektu Halla. Siła Loretza

Badanie tranzystorów MOSFET

FIZYKA LABORATORIUM prawo Ohma

Badanie wzmacniacza niskiej częstotliwości

Metodę poprawnie mierzonego prądu powinno się stosować do pomiaru dużych rezystancji, tzn. wielokrotnie większych od rezystancji amperomierza: (4)

Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI

Bierne układy różniczkujące i całkujące typu RC

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych Laboratorium 6

PODSTAWY METROLOGII ĆWICZENIE 7 TEMPERATURA Międzywydziałowa Szkoła Inżynierii Biomedycznej 2009/2010 SEMESTR 3

XL OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP I Zadania doświadczalne

Ćw. 8 Weryfikacja praw Kirchhoffa

PODSTAWY METROLOGII ĆWICZENIE 2 REZYSTANCJA WEWNĘTRZNA Międzywydziałowa Szkoła Inżynierii Biomedycznej 2009/2010 SEMESTR 3

Badanie transformatora

POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA

Pomiar podstawowych wielkości elektrycznych

Transkrypt:

P O L I T E C H N I K A G D A Ń S K A Sprawozdanie z laboratorium proekologicznych źródeł energii Temat: Badanie ogniw paliwowych. Michał Stobiecki, Michał Ryms Grupa 5; sem. VI Wydz. Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej

I. Wstęp teoretyczny 1. Rys historyczny Ogniwa paliwowe zostały wynalezione w 1838 roku przez Christiana Friedrich Schoenbeina. Ich praktyczne zastosowanie przedstawił Sir William Grove już w 1845 roku, jednakże zainteresowanie ogniwami paliwowymi na szeroką skalę rozpowszechniło się dopiero po roku 1960, kiedy to NASA zaczęła stosować alkaliczne ogniwa w swoich promach kosmicznych. 2. Klasyfikacja i podział ogniw paliwowych Ogniwa paliwowe, ze względu na ich budowę, podzielić można na ogniwa: - z membraną polimerową; PEFC - Polymer Electrolyte Fuel Cell PEMFC - Proton Exchange Membrane Fuel Cell temperatura ich pracy oscyluje w obrębie 80 C (176 F) - alkaiczne AFC - Alkaline Fuel Cell temperatura ich pracy wynosi 100 C (212 F) - z kwasem fosforowym PAFC - Phosphoric Acid Fuel Cell temperatura ich pracy wynosi 200 C (392 F) - ze stopionym węglanem MCFC - Molten Carbonate Fuel Cell temperatura ich pracy wynosi 650 C (1202 F) - ze stałym tlenkiem SOFC Solid Oxide Feel Cell temperatura ich pracy wynosi 700 C (1292 F) - rurowe ze stałym tlenkiem TSOFC - Tubular Solid Oxide Fuel Cell temperatura ich pracy wynosi 1000 C (1832 F) 1

3. Reakcje zachodzące w ogniwach (H 2 / O 2 ) W ogniwach paliwowych zachodzą typowe reakcje utleniania i redukcji (redox), identyczne jak podczas spalania, z tą różnicą, że produktem oprócz spalin (para wodna lub CO 2 ) nie jest ciepło lecz prąd elektryczny. Reakcje zachodzące w ogniwie: (Anoda +) utlenianie wodoru 2 H 2 + 4 OH - 4 H 2 O + 4 e - (Katoda -) redukcja tlenu O 2 + H 2 O 4 OH - - 4 e - 4. Zasada działania badanego ogniwa polimerowego Elektrolitem w ogniwach polimerowych jest membrana ze spolimeryzowanego fluorkowanego kwasu sulfonowego, pokryta porowatą platyną stanowiącą katalizator. Elektrody stanowią dwie kartki grafitowanego papieru teflonowane na zewnątrz. Całość jest sprasowana pod ciśnieniem w podwyższonej temperaturze i ma grubość 1mm. Kanalikami w elektrodach poprowadzone są substraty i czynnik chłodzący, a odprowadzana ciekła woda. Reakcje zachodzące na elektrodach przedstawiono na rysunku obok. W ogniwach tych panuje stosunkowo niska temperatura (w zakresie 70-150 o C) oraz ciśnienie w granicach 0,10-1,0 MPa, co w praktyce umożliwia ich łatwy rozruch ogniwa. Kolejną zaletą jest stały elektrolit w ogniwie i towarzysząca mu wysoka gęstość prądu. Wadą badanego rozwiązania jest wrażliwość na tlenek węgla (CO) zatruwający platynę. 2

II. Budowa stanowiska pomiarowego oraz przebieg ćwiczenia Stanowisko składa się z dwóch odwracalnych ogniw paliwowych (Reversible Fuel Cell) typu polimerowego, membranowego (PEMFC). Ich cechą możliwość pracy naprzemiennie jako elektrolizer lub jako ogniwo paliwowe. Zasilacz stabilizowanego prądu stałego zasila dolne ogniwo, pracujące jako elektrolizer. Wytworzony, w wyniku elektrolitycznego rozkładu wody, wodór i tlen zasilają górne ogniwo paliwowe, które produkuje prąd elektryczny, mierzony i wykorzystany w module elektrycznym. Należy pamiętać, że wodór wraz z tlenem tworzy mieszaninę wybuchową, dlatego podczas wykonywania ćwiczenia należało zachować szczególną ostrożność. 1. Wyznaczanie krzywej charakterystyki elektrolizera a) podłączenie aparatury w celu podłączenia aparatury wykonano następujące czynności: - upewniono się, że zasilacz prądu stałego nie jest włączony. - następnie, ustawiono wszystkie regulatory napięcia i natężenia w pozycji zerowej. - używając kabli połączono aparaturę jak na schemacie obok. - równolegle do elektrolizera podłączono woltomierz. - sprawdzono poziom wody destylowanej w elektrolizerze, który powinien być w granicach 0-20 ml po stronie O 2 oraz 20-40 ml po stronie H 2. - po włączeniu zasilacza przestrzegano, by prąd nie był większy od I=4A, a napięcie od U=2V, gdyż groziłoby to paleniem elektrolizera. 3

a) pomiar w celu dokonania pomiaru wykonano następujące czynności: - przekręcając regulator napięcia powoli w do wartości 1,9 V, sczytano 20 pomiarów napięcia i natężenia w 5 sekundowych odstępach. - po zakończeniu pomiarów, przekręcono regulator napięcia elektrolizera tak by wartość nie przekraczała 0.1 V. b) wyniki w celu dokonania pomiaru wykonano następujące czynności: Tabela pomiarów wyznaczania charakterystyki elektrolizera Pomiar Czas t [s] Napięcie [V] Natężenie I [A] Moc P [W] 1 10 1,00 0,00 0,00 2 20 1,10 0,02 0,02 3 30 1,20 0,02 0,02 4 40 1,30 0,02 0,03 5 50 1,40 0,03 0,04 6 60 1,50 0,20 0,30 7 70 1,60 0,40 0,64 8 80 1,62 0,74 1,20 9 90 1,65 0,85 1,40 10 100 1,68 1,24 2,08 11 110 1,74 1,62 2,82 12 120 1,80 1,88 3,38 13 130 1,87 2,00 3,74 14 140 1,89 2,03 3,84 15 150 1,90 2,03 3,86 16 160 1,89 2,02 3,82 17 170 1,90 2,01 3,82 18 180 1,88 2,03 3,82 19 190 1,90 2,04 3,87 20 200 1,91 2,03 3,88 - zamieszczone poniżej wykresy zależności napięcia od czasu i natężenia od czasu oraz charakterystykę I U elektrolizera utworzono na podstawie wyników z powyższej tabeli. 4

Wykres zależności napięcia od czasu dla elektrolizera 1,90 1,70 wartość napięcia U [V] 1,50 1,30 1,10 0,90 0 50 100 150 200 czas t [s] Wykres zależności natężenia prądu od czasu dla elektrolizera 2,50 2,00 wartość natężenie prądu I [A] 1,50 1,00 0,50 0,00 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 czas t [s] 5

Krzywa charakterystyki elektrolizera 2,00 1,50 wartości natężenia I [A] 1,00 0,50 0,00 0,90 1,10 1,30 1,50 1,70 1,90 wartości napięcia U [V] c) wnioski - analizując powyższe wykresy zaobserwowano prawidłowość, której podlega proces elektrolizy. Początkowo reakcja nie zachodzi, aż do uzyskania pewnej granicznej wartości napięcia, przy której zaczynamy obserwować zjawisko odrywania się od elektrody pęcherzyków gazu (H 2 ), świadczących o zapoczątkowaniu procesu elektrolizy wody. W obserwowanym doświadczeniu graniczna wartość napięcia wyniosła około 1,3V. W miarę wzrostu napięcia w elektrolizerze następuje wzrost natężenia prądu, aż do wartości granicznej, która w badanym przypadku wyniosła 2V. Po osiągnięciu tej wartości natężenie już nie wzrasta, a sama reakcja stabilizuje się na tym poziomie. Maksymalne natężenie uzyskiwane na elektrolizerze osiąga zatem wartość 2V. 6

2. Określanie wydajności produkcji wodoru (Prawo Faradaya) a) podłączenie aparatury - sposób połączenia podany jest na schemacie obok. b) pomiar w celu dokonania pomiaru wykonano następujące czynności: - upewniono się czy pokrętła natężenia prądu ustawione są na maksymalną wartość. - sterując regulatorem napięcia ustawiono wartość natężenia I=850mA. - sprawdzono, że obydwa cylindry elektrolizera są napełnione do poziomu 0ml., po czym założono zacisk na gumowy przewód wylotu H 2. - zebrano wyniki objętości produkowanego wodoru w czasie t = 90 s, co 15 s. - po zdjęciu zacisku ustawiono nowe natężenia I=950mA i 650mA, powtarzając każdorazowo pomiary. - po wykonanych pomiarach zmierzono napięcie i zdjęto zacisk. c) wyniki - otrzymane objętości wyprodukowanego wodoru w funkcji czasu, dla poszczególnych wartości natężenia, zebrano w poniższych tabelach: Tabela pomiarów wydajności produkcji wodoru 850 ma Czas t [s] Objętość H 2 V [ml] 15 8 30 9 45 10 60 11 75 12 90 13 7

Tabela pomiarów wydajności produkcji wodoru 950mA Czas t [s] Objętość H 2 V [ml] 15 7 30 8 45 9 60 10 75 11 90 12,5 Tabela pomiarów wydajności produkcji wodoru 650mA Czas t [s] Objętość H 2 V [ml] 15 4 30 5 45 6 60 7 75 8 90 9,5 - otrzymane wartości przedstawiono na poniższym wykresie zależności objętości produkowanego wodoru w czasie: Wykres wydajności produkcji wodoru 14 y = 0,0667x + 7 12 y = 0,0714x + 5,8333 objętość wodoru V [ml] 10 8 y = 0,0714x + 2,8333 850 ma 950 ma 650 ma Liniowy (650 ma) Liniowy (850 ma) Liniowy (950 ma) 6 4 2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 czas t [s] 8

d) wnioski - na podstawie otrzymanych wykresów zaobserwowano prawidłowości, którym podlega proces produkcji wodoru. Bez względu na wartości natężenia prądu, przy którym zachodzi proces produkcji wodoru, obserwowano liniowy charakter przyrostu objętości gazu. Ponadto współczynniki kierunkowe prostych, powstałych z naniesienia na otrzymane wyniki pomiarowe linii trendu, okazały się być identyczne (z niewielkim odchyleniem wynikającym z niepewności pomiarowych), co zaznaczono na powyższym wspólnym wykresie. Na tej podstawie można zapisać następującą zależność produkowanej objętości wodoru od czasu: V = α i t gdzie: α współczynnik proporcjonalności i natężenie prądu w ogniwie t czas produkcji wodoru V objętość produkowanego wodoru Zależność ta odpowiada prawu Faradaya, które zapisujemy następująco: m = k i t gdzie: k współczynnik proporcjonalności i natężenie prądu w ogniwie t czas produkcji wodoru m masa produkowanej substancji Podstawiając w drugim wzorze: m = V ρ gdzie: ρ współczynnik proporcjonalności Po przekształceniu otrzymamy: V k = i t = α i t ρ Co stanowi potwierdzenie zgodności opisu procesu produkcji wodoru z prawem Faradaya odnoszącym się do elektrolizy. Ponadto w wyników pomiarowych wynika, iż maksimum możliwości produkcyjnych ogniwa nie przypada na maksimum natężenia prądu, lecz nieco poniżej tej wartości, lecz dopiero pomiary w większym zakresie wartości natężenia prądu mogłyby potwierdzić tę zależność. 9

3. Wyznaczenie charakterystyki ogniw paliwowych w połączeniu równoległym. a) podłączenie aparatury - sposób połączenia podany jest na schemacie obok. b) Pomiar w celu dokonania pomiaru wykonano następujące czynności: - upewniono się, że pokrętła natężenia prądu ustawione są na maksymalną wartość. - ustawiono wartość napięcia U = 1.8 V. - nastawiono rezystancję modułu elektrycznego na R=0Ω. - po 4 min. od włączenia zasilacza, zapisano 10 pomiarów natężenia i napięcia w 10 s odstępach. - po wykonanych pomiarach ustawić ponownie oporność na R = 0Ω. c) wyniki - otrzymane wartości natężeń i napięć, przedstawiono w poniższej tabeli, obliczając również moce dla poszczególnych pomiarów: Tabela pomiarów mocy ogniwa Rezystancja R [Ω] Napięcie U [V] Natężenie I [A] Moc P [W] 0 0,45 0,39 0,18 0 0,48 0,34 0,16 1 0,50 0,31 0,16 1 0,55 0,26 0,14 2 0,60 0,19 0,11 3 0,64 0,15 0,10 5 0,67 0,11 0,07 10 0,72 0,06 0,04 20 0,76 0,03 0,02 50 0,78 0,01 0,01 100 0,80 0,00 0,00 - wykonano wykres charakterystyki U I dla ogniw paliwowych. 10

Wykres charakterystyki ogniwa paliwowego 0,40 0,35 0,30 0,25 natężenie I [A] 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0,42 0,47 0,52 0,57 0,62 0,67 0,72 0,77 0,82 napięcie U [V] d) wnioski - na podstawie otrzymanego wykresu możemy stwierdzić, iż w badanym zakresie napięcia, przy sterowaniu wartością rezystancji, występuje niemal liniowa zależność pomiędzy natężeniem i napięciem prądu w ogniwie (bardziej jednak pasuje tu zależność logarytmiczna co uwzględniono na wykresie). Wyznaczona w powyższy sposób charakterystyka ogniwa paliwowego potwierdza z niewielkim odchyleniem wywód teoretyczny. Biorąc pod uwagę niepewność eksperymentatora np. przy odczytywaniu wyników z przyrządów pomiarowych (w naszym wypadku woltomierz, amperomierz, stoper, gdzie zwłaszcza ostatni wprowadza sporą niepewność) eksperymentalnie potwierdziliśmy teorię dotyczącą danej charakterystyki i całego doświadczenia. 11