LABORATORIUM PRZEMIAN ENERGII BADANIE OGNIWA PALIWOWEGO TYPU PEM I. Wstęp Ćwiczenie polega na badaniu ogniwa paliwowego typu PEM. Urządzenia tego typy są obecnie rozwijane i przystosowywane do takich aplikacji jak: zasilanie gwarantowane, hybrydowe układy wytwarzania energii, energetyka rozproszona, transport. II. Opis teoretyczny Energie produkowana przez badane w ćwiczeniu ogniwo paliwowe wytworzona zostaje w procesie elektrochemicznej konwersji. Elektryczność wyprodukowana jest z paliwa podanego na anodę i utleniacza wprowadzanego na stronę katody. Reakcja między nimi zachodzi w obecności elektrolitu. Podstawowym rodzajem ogniw są te wodorowo-tlenowe z membraną do wymiany protonów (elektrolit polimerowy), takie teŝ wykorzystane zostały w ćwiczeniu. Cienka warstwa polimeru przewodzącego protony rozdziela anodę i katodę. Zwykle elektrody mają postać nawęglonego papieru pokrytego platyną w charakterze katalizatora reakcji. Gazowy wodór wprowadzany jest w obszar porowatej anody, gdzie w wyniku oddziaływania wodoru z materiałem katody zachodzi dysocjacja w wyniku czego powstają jony protonowe H + oraz elektrony e. Elektrony przyciągane przez anodę pozostają w niej jony wodorowe dyfundują: Półprzepuszczalna membrana jest przewodnikiem tylko dla protonów, nie przepuszcza innych jonów szczególnie jonów tlenu od katody do anody. Elektrony muszą dotrzeć do katody poprzez obwód elektryczny, wytwarzając prąd pozwalający na zasilanie urządzeń. Na katodzie tlen reaguje z elektronami tworząc jony O 2- : jony wodorowe H + są zobojętniane zjonizowanym tlenem:
Końcowy produktu to H 2 O czyli woda w postaci pary lub ciekłej. Schemat pojedynczego ogniwa jest pokazany na rysunku nr 1: Rys. 1. Schemat ogniwa paliwowego typu PEM Rysunek nr 2 przedstawia przykładową charakterystykę u=f(i obc ) dla ogniwa paliwowego. Rys. 2. Przykładowa charakterystyka ogniwa paliwowego typu PEM Typowe parametry pojedynczego ogniwa typu PEM: Elektrolit: spolimeryzowany fluorkowany kwas sulfonowy w postaci membrany pokrytej porowatą platyną Temperatura pracy: 50 100 C Sprawność: od 25% do ponad 50% Napięcie pojedynczego ogniwa 0,6 V
W celu uzyskania wymaganego napięcia wyjściowego ogniwa łączy się szeregowo. Zalety ogniwa PEM: - Elektrolit w postaci stałej membrany redukuje korozję i problemy związane z obsługą elektrolitu - niska temperatura pracy - szybki start - brak emisji zanieczyszczeń i hałasu - jakość wyprodukowanej energii Wady to: - moŝliwość uszkodzenia poprzez przeciąŝenie lub zwarcie - duŝy koszt w porównaniu do innych technologii - konieczność zachowania środków bezpieczeństwa ze względu na łatwopalność wodoru Istnieją odmiany ogniw paliwowych, w których źródłem energii nie jest wodór w postaci gazowej. Gaz ten jest produkowany w ogniwie na skutek spalania związków chemicznych bogatych w wodór, jak metan czy metanol. Wodór zgromadzony w postaci związanej jest łatwiejszy do transportu zajmuje mniejszą objętość i nie musi być skraplany w tak niskiej temperaturze. Jednak sprawność takich ogniw jest mniejsza i często oprócz pary wodnej produkują one dwutlenek węgla. Niemniej są i tak czystsze oraz bardziej wydajne od tradycyjnych silników spalinowych. W odróŝnieniu od baterii i akumulatorów, ogniwa paliwowe nie gromadzą wewnątrz energii. Bez dostarczania paliwa proces produkcji prądu się zatrzymuje. Są jednak urządzenia, w których łączy się baterie słoneczne produkujące wodór przez elektrolizę z ogniwem paliwowym. W takim układzie wodór jest produkowany w ciągu dnia z energii słonecznej, a w nocy ulega spaleniu w ogniwie. Sprawność takiego procesu (prąd wodór prąd) jest rzędu od 30 do 40%. NaleŜy wyznaczyć charakterystyki ogniwa paliwowego i je zinterpretować Na zajęciach wykreślamy a) charakterystyki napięciowo prądowe U = f (I) w zaleŝności od: - ciśnienia wodoru - ciśnienia tlenu b) charakterystykę mocy P = f (I) Środki: 1. Ogniwo NP 50 2. Butla z wodorem 3. Ciśnieniomierz, 4. Termometr 5. Miliamperomierz 6. Woltomierz 7. Przetwornica podwyŝszająca napięcie
8. Rezystor 0,5 Ω Opis ćwiczenia: Uwaga! Ćwiczenie rozpoczynamy od włączenia wiatraczka i dopuszczenia wodoru na ogniwo na 10 min. przed rozpoczęciem właściwym ćwiczenia. Dopiero po 10 min. załączamy obciąŝenie. Odwrotnie z kolei postępujemy przy wyłączaniu układu. Najpierw wyłączamy obciąŝenie, następnie zamykamy dopływ wodoru i wyłączamy wiatraczek. Przed przystąpieniem do badań naleŝy połączyć układ wg schematu: DC NP 50 V ma DC Ro Zajęcia będą polegały na zdjęciu charakterystyk napięciowo prądowych U = f(i) w zaleŝności od: a) ciśnienia P wodoru H 2 b) ciśnienia P tlenu O 2 oraz wykreśleniu charakterystyki mocy P = f (I) Pomiary rozpoczynamy od maksymalnej rezystancji i zmniejszamy ją stopniowo tak by napięcie ogniwa paliwowego na woltomierzu nie spadło poniŝej 4V, a temperatura ogniwa nie przekroczyła 30 o C Regulując tak rezystancję obciąŝenia notujemy 30 punktów charakterystyki. Wszystkie charakterystyki dla trzech ciśnień wykreślamy na wspólnym wykresie U = f (I). Tabela 1
Lp. 1 30 P (O 2 ) = const P H 2 = 1,2 (bar) P H 2 = 1,5 (bar) P H 2 = 1,8 (bar) U [V] I [ma] P [W] U [V] I[mA] P [W] U [V] I[mA] P [W] Tabela 2 Lp. 1 30 P (H 2 ) = const U 1 (O 2 )= U 2 (O 2 )= U 3 (O 2 )= U (V) I (ma) P (W) U (V) I (ma) P (W) U (V) I (ma) P (W) Z wartości U i I otrzymanych w czasie badania układu obliczamy moc P = U. I i wykreślamy charakterystykę P = f (I) dla uzyskania, której wykonujemy pomiary dla trzech wartości napięć na wiatraczku podającego tlen O 2 na ogniwo przy stałym ciśnieniu wodoru.