Issuu on Google+

Univerza v Ljubljani Fakulteta za strojništvo

Aškerčeva 6 1000 Ljubljana, Slovenija telefon: 01 477 12 00 faks: 01 251 85 67 www.fs.uni-lj.si e-mail: dekanat@fs.uni-lj.si

Katedra za energetsko strojništvo Laboratorij za termoenergetiko

Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice Laboratorijska vaja

Avtorja:

Mitja Mori Boštjan Drobnič

Ljubljana, november 2010


Fakulteta za strojništvo

1.    

2.

Laboratorij za termoenergetiko

Namen vaje Določiti karakteristike delovanje sončnega modula in njegov izkoristek. Določiti karakteristike delovanja, energijski in Faradayev izkoristek elektrolitskega reaktorja. Določiti karakteristike delovanja, energijski in Faradayev izkoristek polimerne gorivne celice. Določiti izkoristek celotnega obravnavanega sistema.

Opis eksperimentalne enote JuniorBasic

Eksperimentalna enota JuniorBasic (slika 1) je sestavljena iz sončnega modula (1), elektrolitskega reaktorja (2), rezervoarjev za vodik (3) in kisik (4), polimerne gorivne celice (5) in ventilatorja (6).

Slika 1: Osnovna eksperimentalna enota JuniorBasic .

Poleg osnovne enote rabimo za izvedbo eksperimentov tudi svetlobni vir, dva merilnika električnega toka in električne napetosti, vezno ploščo z nastavljivo električno upornostjo, inštrument za določitev sevalne moči svetlobnega vira in uro (slika 2). Če nimamo inštrumenta za določitev sevalne moči svetlobnega vira, to naredimo tako, da izmerimo kratkostični tok sončnega modula.

Slika 2: Dodatna oprema, za izvedbo vaje

Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice

Stran: 2 od 19


Fakulteta za strojništvo

2.1. 2.1.1.

Tehnični podatki eksperimentalne enote JuniorBasic® Sončni modul

Površina Napetost brez obremenitve Tok Moč (MPP) 2.1.2.

Moč

2.2.

4 cm2 1W 0 … 2,0 V DC 0 … 2 A DC 4,3 cm3/min 2,15 cm3/min 20 cm3

Gorivna celica

Površina elektrod Moč Proizvedena napetost 2.1.4.

90 cm2 2,0 V DC 350 mA DC 500 mW

Elektrolitski reaktor

Površina elektrod Moč Dovoljena napetost Dovoljen tok Proizvodnja vodika Proizvodnja kisika Volumen rezervoarja 2.1.3.

Laboratorij za termoenergetiko

4 cm2 500 mW 0,4 … 0,96 V DC

Ventilator (porabnik energije) 10 mW

Delovanje eksperimentalne enote JuniorBasic

S pomočjo sončnega modula, v katerem je povezanih več posameznih sončnih celic, se proizvaja električna energija, ki jo rabimo za proizvodnjo kisika in vodika v polimernem elektrolitskem reaktorju, kjer z cepitvijo molekul vode dobimo kisik in vodik. Znotraj elektrolitskega reaktorja se voda cepi na vodik in kisik v volumskem razmerju: dva dela vodika na en del kisika. Plina se skladiščita v rezervoarjih, od koder sta transportirana v polimerno gorivno celico, ki proizvaja električno energijo in vodo. Električno energijo porablja na enoti nameščen ventilator.

Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice

Stran: 3 od 19


Fakulteta za strojništvo

3.

Laboratorij za termoenergetiko

Vaja 1: Električna napetost, tok, moč in energijski izkoristek sončnega modula Opozorilo: Pred izvedbo vaj obvezno preberite Navodila za pravilno upravljanje z eksperimentalnim modelom JuniorBasic, ki so priložena k modelu.

Odvisnost toka od napetosti nam podaja karakteristiko moči sončnega modula. Skupaj s krivuljo moči omogočata določitev točke največje moči sončnega modula (MPP – Maximum Power Point). Izkoristek sončnega modula je definiran kot razmerje med proizvedeno električno močjo (Pel) in vpadnim energijskim tokom (Pvp) na površino sončnega modula. ηe, s =

Pel Pvp

(1)

Da določimo izkoristek sončnega modula moramo poznati vpadno moč svetlobnega vira in moč, ki jo da sončni modul, enačba (1). Izkoristek računamo za točko največje moči. Vpadno moč svetlobnega vira določimo tako, da zmerimo kratkostični tok sončnega modula. Sončni modul povežemo z merilnikom električnega toka in izmerimo kratkostični tok (0 - 350 mA). Da bi izračunali vpadno moč, moramo vrednost kratkostičnega toka pomnožiti s koeficientom F, ki je odvisen od največje vrednosti kratkostičnega toka sončnega modula podanega s strani proizvajalca in znaša 2,86 W/(m2 mA).

Pojasnilo: Največje sevanje sonca poleti je 1000 W/m2. Največji kratkostični tok podan s strani proizvajalca pa je 350 mA. Tako izračunamo koeficient: W 2 W m F= = 2,86 2 350 mA m mA 1000

Pvp = F ·I kr · A

(2)

Takoj pomerite kratkostični tok na sončnem modulu, Ikr, v mA. To naredite tako, da priključite merilnik toka direktno na izhod sončne celice. Črno žico priključite na COM vhod na merilniku električnega toka, rdečo pa na vhod V Ω mA. Na merilniku električnega toka nastavite na območje 200 mA. Upoštevajte, da je površina sončnega modula A = 6⋅10-3 m2. Vrednost zabeležite v preglednico 3.1.

Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice

Stran: 4 od 19


Fakulteta za strojništvo

3.1.

Laboratorij za termoenergetiko

Namestitev eksperimentalne verige

Povežite osnovno enoto in merilno opremo, kot kažeta sliki 3 in 4. Usmerite svetlobni vir pravokotno na sončni modul. Počakajte približno dve minuti, da se izognete napakam, ki bi nastale zaradi temperaturnih nihanj.

SVETLOBA

V območje: 20 V DC

A območje: 10 ali 20 A DC

Slika 3: Shema merilne verige.

Slika 4: Merilna veriga za izvedbo prvega eksperimenta.

Ko priključite merilnika električnega toka in napetosti, ter določite kateri je merilnik napetosti in kateri merilnik toka (slika 4), pravilno nastavite območja na merilnikih (slika 3).

3.2.

Potek eksperimenta

Na vezni plošči nastavite električno upornost na vrednost ∞ Ω in odčitajte tok in napetost ter izračunajte električno moč. Nato ponovite vajo za vse ostale električne upornosti do vrednosti 0 Ω. Počakajte vsaj 20 sekund pri vsaki električni upornosti za stabilizacijo. Izmerke beležite v preglednico 3.1. Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice

Stran: 5 od 19


Fakulteta za strojništvo

3.3.

Laboratorij za termoenergetiko

Analiza rezultatov

Na podlagi izmerjenih vrednosti izračunajte moč in narišite diagrama odvisnosti toka od napetosti in moči od napetosti, kot je to prikazano na slikah 5 in 6. 0.2

točka največje moči

IMPP

I / A

0.15

0.1

P=U.I

0.05

0

0

0.5

1 U / V

1.5

2 UMPP

Slika 5: Primer diagrama odvisnosti toka od napetosti za sončni modul 0.35

točka največje moči

PMMP 0.3

P / W

0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0

0

0.5

1

1.5

2

U / V

Slika 6: Primer diagrama odvisnosti moči od napetosti za sončni modul

Odčitajte točko največje moči sončnega modula (MMP), kjer je moč sončnega modula največja. Ta je razvidna iz diagrama odvisnosti moči od napetosti, lahko pa jo določimo tudi v diagramu odvisnosti toka od napetosti. To naredimo tako, da pod krivuljo odvisnosti toka od napetosti rišemo pravokotnike (produkt toka in napetosti) in pravokotnik, ki ima največjo površino nam definira tok in napetost v točki največje moči. Če rezultati niso popolnoma v skladu s pričakovanji in teorijo, poskušajte podati ustrezne komentarje o razlogih za te rezultate in posledicah. Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice

Stran: 6 od 19


Fakulteta za strojništvo

3.4.

Laboratorij za termoenergetiko

Diskusija

Izkoristek sončne celice naj bi bil med 12 in 14 %. Izkoristek našega sončnega modula je verjetno manjši, kar je posledica merilnih napak in negotovosti pri določitvi vpadne moči svetlobnega vira. Izkoristek sončnega modula je manjši kot pa bi bil izkoristek posamezne sončne celice. To je zaradi izgub, ki nastanejo zaradi tega, ker vse povezane sončne celice nimajo enakih lastnosti. Če so posamezne sončne celice povezane v modul, modul nima enake točke največje moči, kot bi jo imela posamezna sončna celica. Izgube v sončni celici se pojavijo zaradi tega, ker se vsi fotoni, ki priletijo na površino sončne celice, ne pretvorijo v nosilce električne energije. Del fotonov se namreč takoj odbije od površine in na ta način se izgubi več kot polovica vpadne energije svetlobe. Kombinacija odboja fotonov in električnih izgub zaradi notranjih uporov je razlog za nizek izkoristek sončnih celic.

Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice

Stran: 7 od 19


Fakulteta za strojništvo

4.

Laboratorij za termoenergetiko

Vaja 2: Električna napetost, tok, energijski in Faradayev izkoristek elektrolitskega reaktorja Opozorilo: Pred izvedbo vaj obvezno preberite Navodila za pravilno upravljanje z eksperimentalnim modelom JuniorBasic, ki so priložena k modelu.

Elektrolitski reaktor služi proizvodnji vodika in kisika, ki se nato skladiščita v posameznih rezervoarjih. Da začne potekati elektroliza, mora napetost narasti čez določeno mejno vrednost. Pod mejno napetostjo elektroliza ne poteka. Teoretična mejna napetost elektrolitskega reaktorja je 1,23 V. Pod to vrednostjo vstopne napetosti v elektrolitski reaktor elektroliza ne poteka. V praksi je mejna napetost nekoliko višja zaradi tipa in sestave elektrolitskega reaktorja, elektrolita in temperature.

4.1.

Energijski in Faradayev izkoristek elektrolitskega reaktorja

Energijski izkoristek je definiran kot razmerje med energijo, ki jo imamo na razpolago v obliki vodika (WH2, njegova zgornja kurilna vrednost pomnožena z volumnom proizvedenega vodika) in energijo (Wel), ki smo jo vložili v elektrolitski reaktor. ηe, r =

WH2 VH2 ⋅ H S , H2 = Wel U ⋅ I ⋅t

(3)

V enačbi (3) so VH2 - volumen vodika proizveden med eksperimentom (m3), HS,H2 - zgornja kurilna vrednost vodika (12,745⋅106 J/m3), U

- povprečna električna napetost med eksperimentom (V),

I t

- povprečen električni tok med eksperimentom (A) in - čas za proizvodnjo VH2 vodika (s).

Faradayev prvi zakon elektrolize opisuje razmerje med jakostjo toka in proizvedenim volumnom plina. To izhaja iz dejstva, da en atom vodika vsebuje en elektron, ki je pred elektrolizo bil v obliki električnega toka. Faradayev izkoristek elektrolitskega reaktorja je potemtakem razmerje med proizvedenim volumnom vodika (VH2) z volumnom vodika, ki ga izračunamo glede na dovedeni električni tok v elektrolitski reaktor (VH2,izr)

Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice

Stran: 8 od 19


Fakulteta za strojništvo

Laboratorij za termoenergetiko

ηF , r =

VH2 VH2,izr

(4)

Volumen vodika, ki ga izračunamo glede na vložen električni tok, je po Faradayevem prvem zakonu elektrolize: VH2,izr =

R ⋅ I ⋅T ⋅t F ⋅ p⋅z

(5)

V enačbi (5) so R - splošna plinska konstanta (8,314 J/molK), -

I T F p t z

4.2.

povprečen električni tok (A), temperatura okolice (K), Faradayeva konstanta (96485 C/mol, 1C = 1As), tlak okolice (Pa), čas (s) in število elektronov, ki se sprostijo na molekulo plina (voda: z(H2) = 2, z(O2) = 4).

Namestitev eksperimentalne verige

Povežite osnovno enoto in merilno opremo kot kažeta sliki 7 in 8. Usmerite svetlobni vir pravokotno na sončni modul. Počakajte približno dve minuti, da se izognete napakam, ki bi nastale zaradi temperaturnih nihanj.

A

območje: 10 ali 20 A DC

V območje: 20 V DC

EL. REAKTOR

SVETLOBA

Slika 7: Shema merilne verige.

Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice

Stran: 9 od 19


Fakulteta za strojništvo

Laboratorij za termoenergetiko

Slika 8: Merilna veriga za izvedbo drugega eksperimenta.

Ko priključite multimetra in določite kateri multimeter je merilnik napetosti in kateri merilnik toka (slika 8), pravilno nastavite območja na merilnikih (slika 7).

4.3. 4.3.1.

Pojasnilo: Merilnik toka priključimo tako, da + pol na vezni plošči zvežemo s COM vhodom v merilniku in – pol na vezni plošči z 10 A DC vhodom na merilniku. To pa zaradi tega, ker teče enosmerni tok od + pola sončnega modula do – pola sončnega modula (slika 8) in bi pri drugačni vezavi dobili predznak – pred vrednostjo izmerjenega toka.

Potek eksperimenta Prvi del eksperimenta: Karakteristična krivulja elektrolitskega reaktorja

Nastavite električno upornost na vezni plošči na vrednost 0 Ω in zapišite električni tok in napetost. Nato spreminjajte električno upornost po korakih do največje vrednosti ∞ Ω. Pustite vsaj 20 sekund na vsaki električni upornosti za Pojasnilo: Elektrolitski reaktor ne začne proizvajati vodika in stabilizacijo. Beležite tok in napetost. kisika dokler ni presežena mejna napetost. Kot indikacija začetka Izmerke beležite v preglednico 4.1. proizvodnje vodika in kisika je naraščanje toka.

4.3.2.

Drugi del eksperimenta: Energijski in Faradayev izkoristek elektrolitskega reaktorja

Zaženite eksperimentalno postajo kot je predpisano v navodilih za pravilno upravljanje z modelom JuniorBasic. Ko je rezervoar vodika deloma napolnjen (1/3), prekinite dobavo električne energije elektrolitskemu reaktorju.

Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice

Stran: 10 od 19


Fakulteta za strojništvo

Laboratorij za termoenergetiko

Odprite odzračevalna ventila (slika 9) in spustite vodik in kisik iz rezervoarjev. Ko so rezervoarji popolnoma izpraznjeni, mora biti nivo vode do oznake 0 cm3. Če ni, dolijte destilirano vodo. Zaprite odzračevalna ventila iz rezervoarjev. Začnite meriti čas od trenutka, ko priključite elektrolitski reaktor na napetostni izvor. Spremljate proizvodnjo vodika in kisika in beležite čas, napetost in tok na vsakih 5 cm3 proizvedenega vodika. Zadnji odčitek naredite, ko doseže vodik nivo 20 cm3. Izmerke beležite v preglednico 4.2.

4.4.

Analiza rezultatov

Narišite diagram odvisnosti toka od napetosti, kot to kaže slika 10. Krivulja, ki jo dobite je karakteristična krivulja elektrolitskega reaktorja. To krivuljo lahko aproksimiramo z dvema premicama, ki se med seboj sekata. Narišite ti dve premici in označite presečišče.

Slika 9: Odzračevalna ventila iz rezervoarjev

1.2 1.0

I / A

0.8 0.6 0.4 0.2 0

0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

U / V Slika 10: Karakteristična krivulja elektrolitskega reaktorja

Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice

Stran: 11 od 19


Fakulteta za strojništvo

Laboratorij za termoenergetiko

Iz poteka krivulje lahko vidimo, da tok ne začne teči preden ni dosežena neka mejna napetost, Umejna. V našem primeru lahko vidimo to iz podatkov v preglednici 4.1. Dejanska mejna napetost je še nekoliko nižja in jo lahko določimo iz diagrama (slika 10) tako, da poiščemo presečišče strmejše premice z absciso. Določite mejno električno napetost na oba opisana načina. Narišite še diagram odvisnosti proizvedenega volumna vodika od časa kot kaže slika 11. Izračunajte energijski in Faradayev izkoristek elektrolitskega reaktorja. 20 18

VH2 / cm3

16 14 12 10 8 6 4 2 0

0

100 200 300 400 500 600 700 800

t / s Slika 11: Diagram odvisnosti proizvedenega volumna plina od časa

Če rezultati niso popolnoma v skladu s pričakovanji in teorijo, poskušajte podati ustrezne komentarje o razlogih za te rezultate in posledicah.

4.5.

Diskusija

Iz preglednice 4.2 je razvidno, da je električna moč elektrolitskega reaktorja konstantna. Tudi proizvodnja vodika s časom je konstantna, kar je razvidno iz diagrama odvisnosti proizvedenega volumna vodika od časa na sliki 11. V obravnavanem primeru je energijski izkoristek elektrolitskega reaktorja okoli 98 %, kar pomeni, da se 98 % električne energije pretvori v vodik. Izgube so posledica prenapetosti, notranjih uporov elektrolitskega reaktorja in difuzijskih izgub plina. Teoretični Faradayev izkoristek znaša 100 %, v praksi je okrog 95 %. Razlika 5 % je posledica merilnih napak in difuzijskih izgub plinov znotraj reaktorja. Del plinov takoj difundira skozi membrano, reagira s katalizatorjem in tvori se voda. Torej je del plinov takoj pretvorjen nazaj v vodo, še preden zapustijo elektrolitski reaktor.

Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice

Stran: 12 od 19


Fakulteta za strojništvo

5.

Laboratorij za termoenergetiko

Vaja 3: Električna napetost, tok, krivulja moči, energijski in Faradayev izkoristek polimerne gorivne celice Opozorilo:

Pred

izvedbo

vaj

obvezno

preberite Navodila za pravilno upravljanje z eksperimentalnim modelom JuniorBasic, ki so priložena k modelu.

Gorivna celica pretvarja kemično energijo shranjeno v vodiku in kisiku direktno v električno energijo. Vodik in kisik reagirata, tvorijo se voda, električna energija in toplota. Izstopna moč gorivne celice je odvisna od upornosti porabnika. Namen eksperimenta je določiti upornost in s tem tok pri optimalnem porabniku moči.

5.1.

Energijski in Faradayev izkoristek polimerne gorivne celice

Energijski izkoristek polimerne gorivne celice je definiran kot razmerje med vloženo energijo (energija shranjena v obliki vodika) in dobljeno električno energijo.

ηe, g =

Welekticna U ⋅ I ⋅t = Wvodik VH2 ⋅ H i , H2

(6)

V enačbi (6) so U

- povprečna električna napetost med eksperimentom (V),

I

- povprečen električni tok med eksperimentom (A), - čas, potreben za porabo določene količine vodika (s), - volumen vodika, porabljen med eksperimentom (m3) in

t VH2

Hi,H2 - spodnja kurilna vrednost vodika (10,8·106 J/m3).

Opomba: Za izračun energijskega izkoristka elektrolitskega reaktorja moramo vzeti zgornjo kurilno vrednost vodika, za izračun energijskega izkoristka gorivne celice pa spodnjo kurilno vrednost vodika.

En. 6 nam podaja dejanski energijski izkoristek polimerne gorivne celice. Poleg električne energije je produkt znotraj gorivne celice tudi toplota. Toplota, če ni koristno uporabljena, je vedno obravnavana kot izguba. Tako lahko v primeru koristne porabe toplote definiramo tudi idealni izkoristek gorivne celice.

Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice

Stran: 13 od 19


Fakulteta za strojništvo

Laboratorij za termoenergetiko

ηe, g ,id =

∆G ∆H

(7)

V enačbi (7) sta ∆G ∆H

- prosta reakcijska entalpija in - reakcijska entalpija.

Razlika med njima je v sproščeni toploti Q = T·∆S znotraj gorivne celice. ∆H = ∆G + T ⋅ ∆S

(8)

V enačbi (8) so T - temperatura okolice (K), ∆S - reakcijska entropija vodika (–162.985 J/Kmol) in ∆H - reakcijska entalpija vodika (–285840 J/mol). ηe, g ,id =

∆G ∆H − T ⋅ ∆S T ⋅ ∆S = =1− ∆H ∆H ∆H

Dodatne izgube so še posledica toplote zaradi izgub napetosti. Zaradi prenapetosti, notranjih uporov in difuzijskih izgub plina dosežena vrednost napetosti nikoli ni enaka vrednosti 1,23 V, ki je mejna napetost in bi jo morali dobiti iz polimerne gorivne celice. Ta napetost je enaka mejni napetosti, ki je potrebna v elektrolitskemu reaktorju, da začne potekati elektroliza. Enako kot v primeru elektrolitskega reaktorja je tudi v polimerni gorivni celici energijski izkoristek močno odvisen od moči porabnika. Če ima porabnik velik notranji upor, polimerna gorivna celica obratuje le pri delni obremenitvi, kljub dejstvu da ima gorivna celica lahko visok izkoristek. Moč, dobljena iz gorivne celice, je potemtakem manjša kot bi lahko bila pri ustreznem porabniku. Faradayev prvi zakon elektrolize opisuje razmerje med jakostjo električnega toka in proizvedenim volumnom plina. To izhaja iz dejstva, da en atom vodika vsebuje en elektron, ki se po reakciji znotraj gorivne celice sprosti in ga imamo na voljo v obliki električnega toka. Faradayev izkoristek polimerne gorivne celice je potemtakem razmerje med izračunanim volumnom vodika (VH2,izr) za določeno električno moč in porabljenim volumnom vodika (VH2). ηF , g =

VH2,izr VH2

(9)

Izračunani volumen vodika določimo glede na proizveden električni tok po Faradayevem prvem zakonu elektrolize, enačba (5).

Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice

Stran: 14 od 19


Fakulteta za strojništvo

5.2.

Laboratorij za termoenergetiko

Namestitev eksperimentalne verige Opozorilo: Za naslednji eksperiment mora biti gorivna celica navlažena. Skrbno preberite navodila za pravilno ravnanje z eksperimentalnim modelom JuniorBasic. Če je preveč kapljic znotraj gorivne celice, ki onemogočajo nemoten pretok plinov skozi gorivno celico, naredite naslednje:

• Prekinite delovanje eksperimentalne enote, s tem da odklopite napetostni vir od elektrolitskega reaktorja in odklopite porabnika električne energije od gorivne celice. • Snemite cevke, ki povezujejo rezervoarja plinov in gorivno celico, odprite odzračevalna ventila na gorivni celici in pihnite skozi gorivno celico tako na strani vodika kot tudi na

strani kisika. S tem ste odstranili morebitne kapljice znotraj gorivne celice. • Zaprite odzračevalna ventila na gorivni celici in spravite eksperimentalno enoto nazaj v

delovanje.

Povežite osnovno enoto in merilno opremo kot kažeta sliki 12 in 13. Ko je vzpostavljena povezava rezervoarjev in gorivne celice in ste s pomočjo elektrolitskega reaktorja napolnili rezervoar vodika, za trenutek odprite odzračevalni ventil na strani vodika (slika 13). S tem napolnite gorivno celico z vodikom in se izognete morebitnim merilnim napakam zaradi nezadostne količine vodika znotraj gorivne celice. Povežite sončni modul in elektrolitski reaktor, da slednji spet začne proizvajati vodik.

GORIVNA CELICA

V območje: 20 V DC

A območje: 10 ali 20 A DC

Slika 12: Shema merilne verige.

Ko priključite merilnika električne napetosti in toka in določite (slika 13) kateri merilnik je merilnik napetosti in kateri merilnik toka pravilno nastavite območja na merilnikih (slika 12). Da preprečite, da bi gorivna celica porabljala vodik in proizvajala električni tok pred začetkom meritev, mora biti nastavljen upor na vezni plošči na neskončno vrednost (R = ∞).

Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice

Stran: 15 od 19


Fakulteta za strojništvo

Laboratorij za termoenergetiko

Slika 13: Merilna veriga za izvedbo tretjega eksperimenta.

5.3. 5.3.1.

Potek eksperimenta Prvi del eksperimenta: Karakteristična krivulja moči polimerne gorivne celice

Na vezni plošči nastavite električno upornost na vrednost ∞ in zabeležite električno napetost in tok (preglednica 5.1). Nato spreminjajte električno upornost po korakih do upornosti 0 in beležite napetost in tok. Pustite vsaj 20 sekund na vsaki električni upornosti za stabilizacijo. Odčitke beležite v preglednico 5.1.

Opomba: Če tok med eksperimentom pade, to pomeni, da je v gorivni celici preveč ostankov plinov, ki onemogočajo normalno delovanje gorivne celice. Ti ostanki plinov so znotraj rezervoarjev. To se ponavadi zgodi, če je nivo vodika nižji od 5 cm3. Počakajte, da se nekoliko napolni rezervoar vodika, nato za trenutek odprite najprej odzračevalni ventil na vodikovi strani in nato še odzračevalni ventil na kisikovi strani. S tem dosežete da se vzpostavijo potrebne razmere znotraj gorivne celice.

5.3.2.

Drugi del eksperimenta: Energijski in Faradayev izkoristek polimerne gorivne celice

Povežite rezervoarja plinov in gorivno celico. Zaprite odzračevalna ventila za gorivni celici. Vklopite svetlobni vir in s pomočjo sončnega modula in elektrolitskega reaktorja proizvedite 20 ml vodika. Nato za kratek čas odprite odzračevalni ventil na strani vodika, da dovedete gorivni celici Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice

Stran: 16 od 19


Fakulteta za strojništvo

Laboratorij za termoenergetiko

zadostno količino vodika. Zaprite odzračevalni ventil in odklopite porabnika električne energije od gorivne celice. S pomočjo elektrolize napolnite rezervoar vodika do oznake 20 ml. Na vezni plošči nastavite upornost na 3,3 Ω. Sedaj priključite gorivno celico in porabnik električne energije (vezna plošča) in v istem trenutku začnite meriti čas. Beležite čas, napetost in tok na vsake 5 cm3 porabljenega vodika v preglednico 5.2. Med eksperimentom ne spreminjajte upornosti.

5.4.

Analiza rezultatov

Narišite diagram odvisnosti napetosti od toka in diagram odvisnosti moči od toka kot je to prikazano na slikah 14 in 15. 1.2 1.0

U / V

0.8 0.6 0.4 0.2 0

0

0.5

1

1.5

2

I / A Slika 14: Diagram odvisnosti električne napetosti od električnega toka

Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice

Stran: 17 od 19


Fakulteta za strojništvo

Laboratorij za termoenergetiko

0.6 0.5

P / W

0.4 0.3 0.2 0.1 0

0.5

0

1

1.5

2

I / A Slika 15: Diagram odvisnosti električne moči od električnega toka

Iz krivulje moči določite tok, pri katerem daje gorivna celica največjo moč. Določite tudi upornost bremena, pri katerem dosežemo z gorivno celico največjo moč. Narišite diagram odvisnosti porabe vodika od časa kot kaže slika 16, ter izračunajte energijski in Faradayev izkoristek polimerne gorivne celice. 12

VH2 / cm3

10 8 6 4 2

0

0

100

200

300

400

500

600

700

t / s Slika 16: Diagram odvisnosti porabe vodika od časa

Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice

Stran: 18 od 19


Fakulteta za strojništvo

Laboratorij za termoenergetiko

Če rezultati niso popolnoma v skladu s pričakovanji in teorijo, poskušajte podati ustrezne komentarje o razlogih za te rezultate in posledicah.

5.5.

Diskusija

Iz preglednice 5.2 je razvidno, da je električna moč gorivne celice med eksperimentom skoraj konstantna. Prav tako je konstantna poraba vodika, kar se dodatno vidi iz diagrama odvisnosti porabe vodika od časa (slika 16). Energijski izkoristek obravnavane gorivne celice je okoli 30 %. To pomeni, da se 30 % energije shranjene v obliki vodika pretvori v električno energijo znotraj gorivne celice. Glede na izračune je Faradayev izkoristek gorivne celice nekoliko manjši kot pa Faradayev izkoristek elektrolitskega reaktorja. To je posledica manjšega električnega toka. Po Faradayevi teoriji potrebujemo za cepitev določenega volumna vode manj časa, kot pa za formiranje enake količine vode znotraj elektrolitskega reaktorja. V daljšem časovnem obdobju pa difundira večja količina vodika skozi membrano, ki zato ni več na voljo za tvorbo električne energije.

6.

Literatura

[1]

Matija Tuma, Mihael Sekavčnik: Energetski sistemi (preskrba z električno energijo in

[2]

toploto), Tretja izpopolnjena in predelana izdaja, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, 2004. h-tec Wasserstoff-Energie-Systeme GmbH: Fuel Cell – Experiments, Luebeck, Germany,

[3]

2004. Viola Francke: Wasserstofftechnik (Neue Wege in der Energieversorgung), Fachverband fűr Energie-Marketing und -Anwendung (HEA) e. V. beim VDEW.

Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice

Stran: 19 od 19


Delovanje soncnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice