Post on 25-Nov-2021
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 Laboratorij za termoenergetiko
Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice Stran: 2 od 19
1. 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.
2. 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
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice Stran: 3 od 19
2.1. Tehnični podatki eksperimentalne enote JuniorBasic®
2.1.1. Sončni modul
Površina 90 cm2
Napetost brez obremenitve 2,0 V DC
Tok 350 mA DC
Moč (MPP) 500 mW
2.1.2. Elektrolitski reaktor
Površina elektrod 4 cm2
Moč 1 W
Dovoljena napetost 0 … 2,0 V DC
Dovoljen tok 0 … 2 A DC
Proizvodnja vodika 4,3 cm3/min
Proizvodnja kisika 2,15 cm3/min
Volumen rezervoarja 20 cm3
2.1.3. Gorivna celica
Površina elektrod 4 cm2
Moč 500 mW
Proizvedena napetost 0,4 … 0,96 V DC
2.1.4. Ventilator (porabnik energije)
Moč 10 mW
2.2. 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.
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice Stran: 4 od 19
3. Vaja 1: Električna napetost, tok, moč in energijski izkoristek
sončnega modula
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.
vp
else
P
P=,η (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).
AIFP krvp ··= (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.
Opozorilo: Pred izvedbo vaj obvezno
preberite Navodila za pravilno upravljanje z
eksperimentalnim modelom JuniorBasic,
ki so priložena k modelu.
Pojasnilo: Največje sevanje sonca poleti je 1000 W/m2. Največji
kratkostični tok podan s strani proizvajalca pa je 350 mA. Tako
izračunamo koeficient:
mAm
W86,2
mA350
m
W1000
2
2==F
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice Stran: 5 od 19
3.1. 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.
V A
območje:20 V DC
območje:10 ali 20 A DC
SVETLOBA
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.
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice Stran: 6 od 19
3.3. 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.
U / V
I /
A
0
0.05
0.15
0.1
0.2
IMPP
0 0.5 1 21.5UMPP
točka največjemoči
P=U.I
Slika 5: Primer diagrama odvisnosti toka od napetosti za sončni modul
U / V
P /
W
0
0.05
0.15
0.1
0.2
PMMP
0 0.5 1 21.5
točka največjemoči
0.3
0.25
0.35
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.
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice Stran: 7 od 19
3.4. 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.
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice Stran: 8 od 19
4. Vaja 2: Električna napetost, tok, energijski in Faradayev
izkoristek elektrolitskega reaktorja
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.
tIU
HV
W
W S
el
re⋅⋅
⋅==
H2,H2H2,η (3)
V enačbi (3) so
VH2 - volumen vodika proizveden med eksperimentom (m3),
HS,H2 - zgornja kurilna vrednost vodika (12,745⋅106 J/m
3),
U - povprečna električna napetost med eksperimentom (V),
I - povprečen električni tok med eksperimentom (A) in
t - 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)
Opozorilo: Pred izvedbo vaj obvezno
preberite Navodila za pravilno upravljanje z
eksperimentalnim modelom JuniorBasic,
ki so priložena k modelu.
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice Stran: 9 od 19
izr
rFV
V
,H2
H2, =η (4)
Volumen vodika, ki ga izračunamo glede na vložen električni tok, je po Faradayevem prvem
zakonu elektrolize:
zpF
tTIRV izr
⋅⋅
⋅⋅⋅=,H2 (5)
V enačbi (5) so
R - splošna plinska konstanta (8,314 J/molK),
I - povprečen električni tok (A),
T - temperatura okolice (K),
F - Faradayeva konstanta (96485 C/mol, 1C = 1As),
p - tlak okolice (Pa),
t - čas (s) in
z - število elektronov, ki se sprostijo na molekulo plina (voda: z(H2) = 2, z(O2) = 4).
4.2. 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:20 V DC
območje:10 ali 20 A DC
SVETLOBA
V
EL. R
EA
KT
OR
Slika 7: Shema merilne verige.
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice Stran: 10 od 19
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. Potek eksperimenta
4.3.1. 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
stabilizacijo. Beležite tok in napetost.
Izmerke beležite v preglednico 4.1.
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.
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.
Pojasnilo: Elektrolitski reaktor ne začne proizvajati vodika in
kisika dokler ni presežena mejna napetost. Kot indikacija začetka
proizvodnje vodika in kisika je naraščanje toka.
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice Stran: 11 od 19
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.
U / V
I /
A
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
Slika 10: Karakteristična krivulja elektrolitskega reaktorja
Slika 9: Odzračevalna ventila iz
rezervoarjev
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice Stran: 12 od 19
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.
t / s
VH
2 /
c
m3
00
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
100 200 300 400 500 600 700 800
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.
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice Stran: 13 od 19
5. Vaja 3: Električna napetost, tok, krivulja moči, energijski in
Faradayev izkoristek polimerne gorivne celice
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.
H2,H2
,
ivodik
elekticnage
HV
tIU
W
W
⋅
⋅⋅==η (6)
V enačbi (6) so
U - povprečna električna napetost med eksperimentom (V),
I - povprečen električni tok med eksperimentom (A),
t - čas, potreben za porabo določene količine vodika (s),
VH2 - volumen vodika, porabljen med eksperimentom (m3) in
Hi,H2 - spodnja kurilna vrednost vodika (10,8·106 J/m
3).
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.
Opozorilo: Pred izvedbo vaj obvezno
preberite Navodila za pravilno upravljanje z
eksperimentalnim modelom JuniorBasic,
ki so priložena k modelu.
Opomba: Za izračun energijskega izkoristka elektrolitskega reaktorja
moramo vzeti zgornjo kurilno vrednost vodika, za izračun energijskega
izkoristka gorivne celice pa spodnjo kurilno vrednost vodika.
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice Stran: 14 od 19
H
Gidge
∆
∆=,,η (7)
V enačbi (7) sta
∆G - prosta reakcijska entalpija in
∆H - reakcijska entalpija.
Razlika med njima je v sproščeni toploti Q = T·∆S znotraj gorivne celice.
STGH ∆∆∆ ⋅+= (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).
H
ST
H
STH
H
Gidge
∆
∆
∆
∆∆
∆
∆ ⋅−=
⋅−== 1,,η
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).
H2
,H2,
V
V izrgF =η (9)
Izračunani volumen vodika določimo glede na proizveden električni tok po Faradayevem prvem
zakonu elektrolize, enačba (5).
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice Stran: 15 od 19
5.2. Namestitev eksperimentalne verige
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.
A
območje:20 V DC
območje:10 ali 20 A DC
GORIVNA CELICA V
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 = ∞).
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.
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice Stran: 16 od 19
Slika 13: Merilna veriga za izvedbo tretjega eksperimenta.
5.3. Potek eksperimenta
5.3.1. 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.
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
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.
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice Stran: 17 od 19
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.
I / A
U
/
V
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0 0.5 1 21.5
Slika 14: Diagram odvisnosti električne napetosti od električnega toka
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice Stran: 18 od 19
I / A
P /
W
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 0.5 1 21.5
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.
100 200 300 400 500 600 700
t / s
VH
2 /
c
m3
0
2
4
6
8
10
12
0
Slika 16: Diagram odvisnosti porabe vodika od časa
Fakulteta za strojništvo Laboratorij za termoenergetiko
Delovanje sončnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice Stran: 19 od 19
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
toploto), Tretja izpopolnjena in predelana izdaja, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, 2004.
[2] h-tec Wasserstoff-Energie-Systeme GmbH: Fuel Cell – Experiments, Luebeck, Germany,
2004.
[3] Viola Francke: Wasserstofftechnik (Neue Wege in der Energieversorgung), Fachverband fűr
Energie-Marketing und -Anwendung (HEA) e. V. beim VDEW.