Sprawozdanie 5 - Politechnika Częstochowska

POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA
WYDZIAŁ INŻYNIERII MECHANICZNEJ I INFORMATYKI
Instytut Maszyn Tłokowych i Techniki Sterowania
Laboratorium: Środowiskowe oddziaływanie motoryzacji
Imię i nazwisko
Rok
Grupa
Ćwiczenie nr 5
Badanie ogniwa PEM
………………………………
Data wykonania
………
Podpis prowadzącego
………
Ocena
………………………………
……………………
……………
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest określenie sprawności, charakterystyki prądowo-napięciowej
ogniwa paliwowego.
Ogniwo paliwowe przekształca energię chemiczną zgromadzoną w postaci wodoru i tlenu
bezpośrednio w energię elektryczną. Wodór i tlen stanowią paliwo i w wyniku reakcji chemicznej przekształcają się w wodę oddając podczas tego procesu energię elektryczną i ciepło.
Moc wyjściowa ogniwa zależy od rezystancji obciążenia.
Aparatura pomiarowa
• ogniwo paliwowe PEM,
• dwa mierniki uniwersalne – pomiar napięcia i prądu,
• rezystor dekadowy,
• źródło światła dla modułu słonecznego.
Program ćwiczenia
1. Wyznaczania charakterystyki napięciowo-prądowej i krzywej mocy ogniwa paliwowego
Schemat elektryczny stanowiska pomiarowego
R
50%
1000Ω
FC
U
+
1.200
V
-
2.400m
-
GND
1
A
+
Zakres 2V
A
Zakres 10A
Przebieg ćwiczenia
1.
Otworzyć zaciski odpowietrzające po obu stronach ogniwa paliwowego.
2.
Napełnić zbiorniki gazu (zbiorniki wody) do dolnego poziomu 20 cm3 wodą destylowaną. W wężykach nie mogą znajdować się pęcherzyki powietrza. Jeżeli tak się nie
dzieje, należy przepompować wodę rytmicznie ściskając dolne wężyki.
3.
Napełnić zbiorniki gazu (zbiorniki wody) wodą destylowaną do górnego poziomu
znacznika.
4.
Zamknąć zaciski odpowietrzając na ogniwie paliwowym.
5.
Podłączyć ogniwo słoneczne do elektrolizera zwracając uwagę na polaryzację.
6.
Wystawić ogniwo słoneczne na bezpośrednie działanie promieni słonecznych - wykorzystać światło z lampy halogenowej.
7.
Kontynuować proces, aż poziom wody po stronie wodoru spanie poniżej dolnego
znacznika. Może to potrwać kilka minut.
8.
Uważnie otworzyć zaworek odpowietrzający ogniwa paliwowego po stronie wodoru
w celu dostarczenia go do Membrane Electrode Assembly (MEA). Pozostałości wody
i powietrza są jednocześnie wydalane z wężyków i ogniwa paliwowego.
9.
Należy zamknąć zaworek odpowietrzający jak tylko poziom wody osiągnie dolny
znacznik.
10.
Należy powtórzyć punkt 8 po stronie tlenu w ogniwie paliwowym.
11.
Poczekać, aż gazy zgromadzą się w zbiornikach gazu.
12.
Nie podłączać obciążenia do ogniwa – wykonać pierwszy pomiar przy otwartym obwodzie elektrycznym.
13.
Zmieniając wartość rezystora dekadowego od wartości największych do minimalnych
wykonać stosowne pomiary. Kolejny pomiar winien nastąpić nie wcześniej niż 20s po
poprzednim.
14.
Wyniki notować w tabeli.
P [W]
R [Ω]
U [V]
I [A]
P = U⋅I
∞
330
100
33
10
3.3
1.0
0.3
0.1
0.0
15.
Sporządzić charakterystykę napięciowo-prądową U=f(I) oraz charakterystykę mocy
ogniwa w zależności od obciążenia P=f(I).
2
Miejsce na wykresy
3
2. Wyznaczanie sprawności energetycznej i sprawności elektrolizy ogniwa paliwowego PEM
Przebieg ćwiczenia
• Podłączyć wyjście zbiorniczka wodoru elektrolizera do wejścia ogniwa paliwowego.
• Zamknąć zaworki wylotowe ogniwa paliwowego.
• Po otrzymaniu około 20 cm3 wodoru otworzyć na krótki okres czasu zaciski na wyjściu
ogniwa paliwowego w celu przewentylowania układu. Wytworzyć maksymalną możliwą
do otrzymania ilość wodoru (np. 20 cm3).
• Odciąć zasilanie elektrolizera.
• Odłączyć ogniwo paliwowe od rezystora dekadowego.
• Ustawić na rezystorze dekadowym rezystancję, przy której będzie wyznaczana sprawność
energetyczna (np. 3 Ω).
• Połączyć ponownie obwód elektryczny składający się z ogniwa paliwowego i rezystora
dekadowego i rozpocząć pomiar czasu od tego momentu.
• Zapisać czas zużycia określonej objętości wodoru oraz napięcie i natężenie prądu przy
stałych zmianach objętości (np. 5 cm3) przy niezmienionych nastawach rezystora dekadowego.
• Wyniki notować w tabeli.
P [W]
VH2 [cm3]
t [s]
U [V]
I [A]
P = U⋅I
20
0
15
10
Wartość średnia
Sprawność energetyczna ogniwa paliwowego jest określona zależnością:
E
E
ηen = uż = elektryczna
Edost
EH2
η en =
Eelektryczna
E wodoru
=
U ⋅ I ⋅t
VH 2 ⋅ H l
gdzie:
Hl – ciepło spalania wodoru = 10.8⋅108 J/m3
VH2 – objętość zużytego wodoru [m3]
U – napięcie [V]
I – natężenie prądu [A]
t – czas [s]
Sprawność elektrolizy ogniwa paliwowego wyznaczana jest z zależności:
V (obliczona)
η Faraday = H 2
VH 2 ( zużużyta)
Gdzie:
V=
R ⋅ I ⋅T ⋅ t
F ⋅ p⋅z
4
V
R
P
F
T
I
t
z
-
teoretyczna objętość gazu [m3]
stała gazowa 8.314 [J/mol/K]
ciśnienie atmosferyczne
[Pa]
stała Faradaya 96485 [C/mol]
temperatura otoczenia [K]
natężenie prądu [A]
czas [s]
ilość elektronów uwalnianych z jednej cząsteczki, dla wodoru z=2, dla tlenu
z=4
Wtedy:
R ⋅ I ⋅T ⋅ t
=
VH 2 (obliczona ) =
F ⋅ p⋅z
J
⋅K A ⋅ K K ⋅K s
mol ⋅ K
= KK m 3 = Kcm 3
C
⋅ K Pa ⋅ 2
96485
mol
8.314
η Faraday =
Kcm 3
= K ≈ K%
10cm 3
3. Wyznaczanie mocy ogniwa fotoelektrycznego w zależności od natężenia oświetlenia
Aparatura pomiarowa
• ogniwo paliwowe PEM,
• dwa mierniki uniwersalne – pomiar napięcia i prądu,
• źródło światła dla modułu słonecznego
• luksomierz
• przymiar liniowy.
Przebieg ćwiczenia
1. Przygotować ogniwo fotoelektryczne do pracy, łącząc bezpośrednio odbiornik – silnik
elektryczny – z nim za pośrednictwem amperomierza wg schematu w p. 1 strona 1.
2. W obwodzie pomiarowym rezystor dekadowy – ustawiony na wartość 0 Ohm
3. Na statywie umieścić lampę halogenową
4. Oświetlić lampą umieszczoną w zadanej odległości od ogniwa (nie mniejszej niż 50
cm) mierząc jednocześnie natężenie oświetlenia, napięcie i prąd. Lampa winna być
umieszczona prostopadle do powierzchni ogniwa. W urządzeniu powierzchnia ogniwa
wynosi 90 cm2.
5. Wyliczyć moc elektryczną ogniwa w zależności od natężenia oświetlenia
6. Wyznaczyć sprawność ogniwa fotoelektrycznego.
7. Wyniki zilustrować graficznie – P=f(E), η=f(E).
5
Tabela pomiarów:
l
E
[cm]
[lx]
U
[V]
I
[A]
Miejsce na wykres
6
Pel
[W]
PE
[W]
η
[%]
Wnioski
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
7