lastnosti in delovanje polimerne gorivne celicelab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/gorivna...

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Laboratorij za termoenergetiko

LABORATORIJSKA VAJA

Lastnosti in delovanje polimerne gorivne celice

Mitja Mori, Mihael Sekavčnik

LASTNOSTI IN DELOVANJE POLIMERNE GORIVNE CELICE

1

CILJ VAJE - Spoznati sestavo in vrste gorivnih celic. - Spoznati princip delovanja polimerne gorivne celice. - Določiti karakteristike delovanja in krivuljo moči polimerne gorivne celice. UVOD Začetki proizvodnje električne energije so temeljili na pretvorbi kemične energije v električno. Gorivna celica z razliko od baterije nudi neprekinjeno oskrbo z električno energijo ob zadostni količini goriva. Prvo gorivno celico, ki je obratovala na vodik in kisik, je izdelal l. 1839 Sir William Grove. Potem, ko je Werner von Siemens odkril princip pretvorbe rotacije v električno energijo, so bile postavljene prve elektrarne. Kaj hitro je elektro-kemičen princip postal nedonosen in zastarel. Le baterije so se obdržale do danes in kljub temu, da so bile vseskozi podvržene nenehnemu razvoju, se osnovni princip delovanja ni spremenil približno 100 let. V današnjem času večino (2/3) električne energije proizvedejo termoelektrarne, ki pa imajo zelo nizek izkoristek in pomenijo veliko breme za naravo. Kemična energija, ki je vezana v fosilnih gorivih, je najprej pretvorjena v toploto, nato pa v električno energijo, kar pa neobhodno pomeni velike izgube. Samo okoli 1/3 kemično vezane energije v fosilnih gorivih je izkoriščeno pri končnih porabnikih v obliki električne energije. Izgube, med katerimi zaseda največji delež toplota, so redko dodatno izkoriščene in so ponavadi izpuščene v okolico skozi hladilne stolpe ali hladilne sisteme, ki uporabljajo rečno vodo. Tudi emisije dimnih plinov (CO2, SO2, CO, NOX) ne morejo biti popolnoma odpravljene in so v najboljšem primeru, razen CO2, zmanjšane s pomočjo čistilnih naprav. Po predvidevanjih pa je prav CO2 glavni vzrok za globalno ogrevanje ozračja in nastanek tople grede. V 1950 letih je bil princip delovanja gorivne celice ponovno odkrit in razvoj je stekel naprej predvsem v vesoljski in letalski tehniki. Danes je kar nekaj tipov gorivnih celic izpopolnjenih do te mere, da so uporabne tako za pogon vozil kot tudi za proizvodnjo večje količine električne energije v obliki manjših energetskih postrojenj. Na Japonskem in pa v Ameriki je v pogonu 50 MW postrojenje, ki temelji na gorivnih celicah. Ta energetska postrojenja nimajo nobenih škodljivih emisij in imajo izkoristek okoli 60 %. Če pa se dodatno izkoristi še toplotna energija, potem naraste izkoristek celo na 90 %. Gorivna celica, ki deluje na vodik in kisik, ima pomembno vlogo tudi v tehnologiji za pridobivanje vodika. Vodik in kisik lahko pridobivamo v elementarni obliki brez dodatnega onesnaževanja okolja s pomočjo elektrolize vode. Energijo za elektrolizo pa pridobivamo s pomočjo sončne energije preko sončnih celic. Vodik, kot najbolj univerzalno in čisto gorivo, lahko uporabljamo tudi kot gorivo za ogrevanje ali pogon motornih vozil. Stranski produkt zgorevanja vodika pa je, kot pri gorivnih celicah, voda. Množična proizvodnja sončnih celic


2

in gorivnih celic lahko v prihodnosti poceni proizvodnjo vodika in kisika in jo s tem naredi bolj konkurenčno glede na konvencionalne vire energije. H2/O2 gorivna celica je bila uspešno preizkušena tudi kot energetski vir v električnem vozilu (NECAR - New Electric Car) podjetja Daimler Benz. TEORETIČNE OSNOVE Gorivna celica je galvanski element, v kateri je kemična energija goriva (vodik, metanol, ogljikovodiki in tudi kovine kot aluminij in cink) neposredno podvržena elektro-kemični pretvorbi v električno energijo,brez predhodne pretvorbe v toplotno energijo, kot je to v primeru termoenergetskih postrojenj in motorjev z notranjim zgorevanjem.

kemična pretvorba

MOTOR Z NOTRANJIMZGOREVANJEM

GORIVO

Toplotna energija

Mehanska energija

mehanska pretvorba

električna pretvorba

Električna energija

elektro-kemična pretvorba

GORIVNA CELICA

GORIVO

Električna energija

Slika 1: Primerjava pretvorbe energije pri motorju z notranjim zgorevanjem in gorivni celici. Moderna gorivna celica je sestavljena iz treh delov, iz električno prevodne in prepustne anode in katode ter elektrolita, ki prepušča le točno določene ione; elektroni in drugi nezaželeni ioni, ki bi jih elektrolit prevajal, bi zavirali delovanje gorivne celice. Vodik oziroma z vodikom bogato gorivo se vseskozi dovaja na anodo (negativni pol), kjer reagira tako, da odda elektrone (oksidacija). Elektroni nato tečejo po zunanjem tokokrogu proti katodi (pozitivni pol). Na anodi doveden kisik veže elektrone (redukcija). Tako se med anodo in katodo vzpostavi enosmerna električna napetost, ki jo lahko koristno uporabimo. Medtem ko so nosilci elektrine v zunanjem tokokrogu elektroni, pa so nosilci elektrine v elektrolitu ioni. Glede na tip gorivne celice so lahko anioni ali kationi. Tako potujejo kationi skozi elektrolit na katodo, anioni na anodo. Elektrolit prepušča le točno določene ione in


3

ločuje gorivo od kisika, da ne pride do nekontrolirane reakcije. Ioni potujejo zaradi razlike koncentracij, ki se vzpostavi znotraj elektrolita. Da lahko plin nemoteno dostopa do elektrod, so le te narejene iz poroznega materiala, na njih je nanesen katalizator, ki pospešuje elektro-kemično reakcijo. Elektro-kemična reakcija se zgodi na meji med plinom, elektrolitom in elektrodo s pomočjo delovanja katalizatorja, torej na površini elektrode, kjer vse tri faze pridejo v stik. S tem se sprosti zelo majhna količina električnega toka oziroma napetosti. Da bi dobili višjo napetost moramo povezati večjo količino gorivnih celic v tako imenovan blok, v katerem se posamezne napetosti seštevajo. Posamezne gorivne celice so povezane v blok preko bipolarnih plošč.

preh

ajan

je io

nov kisik ali

zrak

voda inizpušni plini

gorivo

izpušni plini

anoda elektrolit katoda

elektroni

Slika 2: Splošna zgradba gorivne celice. Pri gorivnih celicah se le manjši delež energije goriva pretvori v toplotno energijo (cca. 20 %). Enako kot baterija ali akumulator proizvaja gorivna celica električno energijo s to razliko, da elektrokemične reakcije samo katalitične in zato se njene elektrode po kemični sestavi ne spreminjajo. Prednosti gorivnih celic Glede na toplotne stroje imajo gorivne celice kar nekaj prednosti. Tako imajo višji izkoristek in zaradi elektro-kemičnega procesa za njih ne velja omejitev Carnotovega procesa oziroma drugega glavnega zakona termodinamike (toplote se ne da v celoti pretvoriti v višje vredno električno energijo).


4

100

20

40

60

80

0 200 400 600 800 1000

Izko

riste

k

/ %

η

Temperatura / °C

Teoreti ni izkoristek H /O - gorivne celice

č

2 2

Carnot

Slika 3: Primerjava izkoristka Carnotovega krožnega procesa in izkoristka gorivne celice. Moderna plinska in parna turbinska postrojenja dosegajo celotne izkoristke največ okoli 58 %, medtem ko ima gorivna celica izkoristek okoli 65 %. Pri gorivni celici je izkoristek omejen s strani notranjih uporov, prenapetosti in popolne izrabe goriva. Tako ni presenetljivo, da imajo najvišji izkoristek gorivne celice do velikosti 100 kW.

60

70

50

40

10

20

30

010 102 103 104 105 106

Ele

ktri

ni iz

koris

tek

/

%č

η

Mo / kWč

PEMFC (H )2

PEMFC

SCFC / MCFC

PAFC

Plinski motor Plinska turbina

SCFC / MCFC + Kombinirano

Kombinirano postrojenje

Parno postrojenje

Slika 4: Primerjava izkoristkov posameznih gorivnih celic in ostalih tehnik proizvodnje električne energije.


5

Tudi emisije škodljivih snovi v okolico so v primeru gorivnih celic znatno manjše od emisij pri motorjih z notranjim zgorevanjem. Pri reakciji vodika in kisika je stranski produkt le vodna para. Tako lahko rečemo, da je vodik kot gorivo s stališča emisij čisto gorivo. Dodatne prednosti so nizka stopnja hrupa, gorivna celica ne potrebuje gibljivih delov za proizvodnjo električne energije, s povezovanjem posameznih gorivnih celic v blok lahko deluje v različnih napetostnih območjih. Slabosti gorivnih celic Tehnologija izdelave gorivnih celic pred množično proizvodnjo in uporaba potrebuje še dosti optimiranja in odpravljanja pomanjkljivosti. Izkoristek ni omejen samo s prenapetostjo, ampak tudi z neenakomerno porazdelitvijo plina, nihanjem temperature in nečistočami reformerja (plina). S časom se prav tako poslabšajo katalitični procesi in s tem izkoristek. Dodaten razvoj in optimizacijo zahteva tudi periferija gorivne celice, kot so priprava goriva, upravljanje s plinom in toploto ter tudi električni del gorivne celice. Gorivne celice delujejo s pomočjo katalizatorjev, ki pa so zelo občutljivi na nečistoče. Tako so zelo občutljive na žveplene in klorove spojine, ki morajo biti nižje od 1ppm pred vstopom v gorivno celico. Nizko-temperaturne celice so še posebej občutljive na nečistoče, kar znatno podraži pripravo goriva. Dragi materiali, kot npr. platina, ki se uporablja kot katalizator pri nekaterih nizko-temperaturnih gorivnih celicah, kot tudi vsi temperaturno in korozijsko odporni materiali pri visoko-temperaturnih celicah zelo podražijo proizvodnjo gorivnih celic. Z uporabo novih materialov in masovno proizvodnjo, ter s poenostavitvijo procesne tehnike bodo stroški proizvodnje nekoliko manjši. Tipi gorivnih celic Do sedaj se je uveljavilo pet tipov gorivnih celic. Med seboj se razlikujejo po vrsti elektrolita, uporabi različnih materialov in delovnih temperaturah. Slednje deli gorivne celice na visoko- in nizko-temperaturne gorivne celice. Nizko-temperaturne imajo delovno temperaturo med 60 in 200 °C, visoko-temperaturne pa med 600 in 1000 °C. Poimenovanje gorivnih celic je odvisno od uporabljenega elektrolita. Preglednica 1 prikazuje pregled najpogosteje uporabljenih gorivnih celic, ki so: - AFC (Alkaline Fuel Cell): alkalne gorivne celice - PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell): polimerne gorivne celice - DMFC (Direct Methanol Fuel Cell): polimerne gorivne celice - PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell): fosforno-kislinske gorivne celice - MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell): karbonatne gorivne celice - SOFC (Solid Oxide Fuel Cell): keramične gorivne celice Preglednica 1: Različni tipi gorivnih celic glede na uporabljeni elektrolit.


6

GORIVNACELICA

AFCalkalna gorivnacelica

PEMFCpolimerna gorivnacelica

DMFCgorivna celicaz metanolom

PAFC

gorivna celicafosforno-kislinska

MCFCkarbonatna gorivnacelica

SOFCkeramična gorivnacelica

Elektrolit(transportirani ioni)

kalijev lug(OH)-

polimernamembrana(H )+

fosfornakislina(H )+

alkalijevkarbonat(Li CO , K CO )2 3 2 3

keramika (Zr(Y)O O )2,

2-

polimernamembrana(H )+

Gorivo

čisti vodik

vodikmetanolzemeljski plin

a

a, b

metanol

vodikzemeljski plina, b

vodikuplinjeni premogzemeljski plin

c

b, c

vodikuplinjeni premogzemeljski plinbioplin

c

b, c

b, c

Delovnatemperatura

60 - 100 °C

60 - 100 °C

90 20 °C - 1

160 220 °C -

600 650 °C -

900 1000 °C -

Inštalirana moč /Uporaba

cca. 10 kW / vesoljski poleticca. 100 kW / podmornice

0,01-1 kW / električna oskrba20-250 kW / vozila3 - 10 kW / oskrba hiš

majhne napravemotorna vozila

majhne naprave in vozila50 - 200 kWmajhne elektrarne50 - 11000 kW25 - 2000 kWmajhne elektrarnevelike elektrarne

1 - 5 kW oskrba hiš5 - 100 kW majhne elekrarne velike elektrarne

a vodik se pridobiva s pomočjo rafiniranja iz metanol ali zemeljskega plina.b zemeljski plin mora biti predhodno razžvelen, vrednost morajo biti pod 1ppm.c možno je rafiniranje znotraj gorivne celice.

PEMFC: POLIMERNE GORIVNE CELICE Polimerne gorivne celice so poleg fosforno-kislinskih in alkalnih najpogosteje uporabljene gorivne celice. Zasedajo zelo široko področje uporabe in jih uporabljajo tudi v vesoljski tehnologiji. Delovna temperatura je okoli 100 °C in sodijo med nizko-temperaturne gorivne celice. Srce teh gorivnih celic je Naftion®-folija, ki služi kot ionski prevodnik, ki prepušča samo katione vodika. Membrana je na vsaki strani obdana z membrano iz platine in ogljika. Ogljik omogoča prevod električnega toka in poleg tega prepušča plin in odpadno vodo. Tako omogoča vodiku in kisiku, kljub tvorbi vode, nemoten dostop do elektrod. OKSIDACIJA 2 H2 → 4 H+ + 4 e- ANODA REDUKCIJA O2 + 4 H+ + 4 e- → 2 H2O KATODA SKUPNO 2 H2 + O2 → 2 H2O


7

O2

H2O

H2

H2O2

H+

Anoda Elektrolit Katoda

Gor

ivo

Oks

idac

ijski

plin

Slika 5: Shema delovanja polimerne gorivne celice. Procesi na sami membrani so zelo kompleksni in še ne popolnoma detajlno pojasnjeni. Proces na sami anodi lahko razdelimo na naslednje stopnje: 1. Transport molekul vodika do elektrode (anode) in absorpcija na površini elektrode. 2(ads.)2 HH → 2. Cepitev molekul vodika na katalizatorju in hidratacija vodikovih atomov. rat.)2(ads./hid2 HH → 3. Ionizacija vodika, ki pri tem odda elektrona. Elektrona nato potujeta po zunanjem

tokokrogu proti katodi. -

rat.)2(ads./hidrat.)2(ads./hid eHH +→ 4. Desorpcija kationov vodika in difuzija le teh skozi elektrolit do katode. ++ → (hidrat.)at.)(ads./hidr HH 5. Kationi vodika potujejo skozi Naftion®-folijo. Na meji med katodo, elektrolitom in

prostorom, kjer se nahaja plin reagirata dva kationa vodika z molekulo kisika in dvema elektronoma v vodikov peroksid.

22

-2 OHe2H2O →++ +


8

6. Vodikov peroksid reagira nadalje z dvema vodikovima kationoma in dvema elektronoma v vodo. OH2e2H2OH 2

-22 →++ +

Polimerna gorivna celica je neobčutljiva na ogljikov dioksid. Ogljikov monoksid, ki nastaja pri rafiniranju, pa zmanjšuje sposobnost delovanja gorivne celice z absorpcijo na katalizator, zato mora biti gorivo očiščeno in vsebnost ogljikovega monoksida ne sme presegati vrednosti 100 ppm. Glavni cilj pri nadaljnjem razvoju je narediti polimerno gorivno celico, ki bo neobčutljiva na ogljikov monoksid. Uporaba polimernih gorivnih celic Ko gre za uporabo gorivnih celic za pogon vozil, je uporaba polimernih gorivnih celic na prvem mestu. Polimerne gorivne celice imajo dobre lastnosti in omogočajo hitro vožnjo, hiter start in se dobro obnašajo pri spreminjanju obremenitve. Polimerne gorivne celice imajo tudi pri mestni vožnji visok izkoristek (pogon/gorivo) in sicer 35 %, medtem ko ima klasični motor z notranjim zgorevanjem le 15 % izkoristek. Prav tako ima gorivna celica zaradi nizke obratovalne temperature nizko stopnjo emisij v okolico. Kot gorivo lahko v vozilih uporabljamo tekoče gorivo kot metanol, kar je s stališča polnjenja rezervoarja ugodno, medtem ko je uporaba čistega vodika s stališča polnjenja rezervoarja še v fazi razvoja. Prav tako je možna uporaba zemeljskega plina, metana ali bencina. Trenutno je v prometu že kar nekaj osebnih vozil in avtobusov s pogonom na gorivne celice. Prvi prototip (NECAR - New Electric Car) je bil na cesto postavljen že leta 1994. Elektromotor v modelu NECAR V dosega moči že okoli 70 kW in najvišjo hitrost 140,5 km/h.

Slika 6: Sistem polnjenja rezervoarja avtomobila.

Polimerne gorivne celice so bile razvite tudi za uporabo v mobilnih telefonih, prenosnih računalnikih in kamerah. Še eno področje, kjer je gorivna celica zelo uporabna je soproizvodnja električnega toka in toplote za eno- in več-družinske hiše. Tako so na tržišču že enote z zmogljivostjo do 250 kWe.


9

Slika 7: Uporaba polimerne gorivne celice za pogon prenosnega računalnika.

Slika 8: Skica enote za soproizvodnjo električne energije in toplote. OPIS EKSPERIMENTALNE ENOTE Eksperimentalna enota za določevanje karakteristik delovanja gorivne celice (Slika 9) sestoji iz bloka polimernih gorivnih celic (1), metal-hidridnega rezervoarja za vodik (2), črpalke za dobavo zraka (3), steklenic za kontrolo pretoka plinov (4), enote porabnikov električnega toka (5) in merilne enote (7).


10

Slika 9: Eksperimentalna enota za določitev karakteristik polimerne gorivne celice. PEM gorivna celica Blok gorivnih celic je sestavljen iz štirih posameznih polimernih gorivnih celic. Če so gorivne celice med seboj povezane dajejo napetost okoli 3.8 V in moč okoli 5 W. Lastnosti bloka gorivnih celic Največja napetost cca. 3.8 V Največji tok 3A Največja moč cca. 5 W Površina elektrod 80 cm2 Dimenzije 165 mm X 165 mm X 70 mm Masa 1.3 kg


11

Slika 10: Blok polimernih gorivnih celic. Metal-hidridni rezervoar za vodik Določene kovinske zlitine kot železo-titan, železo-magnezij, magnezij-nikelj so pri normalni temperaturi in nadtlaku (do 30 bar) sposobne skladiščiti vodik. Pri skladiščenju se generira toplota, ki jo moramo odvesti. Molekule vodika se razcepijo in atomi vodika se shranijo v medprostore kovinske kristalne mreže. Pri tem se spremeni struktura kovinske kristalne mreže in dobimo metal-hidrid (Slika 11). Z zmanjševanjem tlaka in dovodom toplote se nato vodik zopet sprosti. Struktura zlitine znotraj takšnega rezervoarja je v obliki praška oziroma zrnc (Slika 11).

Slika 11: Vezava atomov vodika v kristalno mrežo kovinske zlitine ter prikaz metal-hidridnega rezervoarja.


12

Črpalka za dobavo zraka Črpalka za dobavo zraka nam omogoča neprekinjeno dobavo. Lahko se uporabi tudi za vzpostavljanje kratkotrajnega vakuuma. Pretok lahko nastavljamo ročno (s pomočjo gumba) ali s pomočjo spreminjanja kontrolne napetosti (zunanji vir: 0 ... 10 V)

Slika 12: Črpalka za dobavo zraka. Indikator pretoka plinov Za indikacijo pretoka plinov se uporabljajo majhne stekleničke.

Slika 13: Indikator pretoka plina.


13

Porabniki električne energije Kot električno obremenitev gorivne celice se uporablja enota, na kateri so motor s propelerjem, žarnica in dva nastavljiva upora. Ti porabniki električne energije služijo kot obremenitev gorivne celice. Poleg opisane enote imamo dodaten porabnik električne energije in sicer mikro-motor z jermenico.

Slika 14: Porabniki električne energije. Lastnosti porabnikov električne energije Enota Nastavljivi upor 5 Ω, 4 W Nastavljivi upor 50 Ω, 4 W Motor s propelerjem Umax = 10 V, Imax = 150 mA Žarnica Umax = 1,2 V, Imax = 220 mA

Mikro-motor Obratovalna napetost 0,5 - 1,5 V Prenos 40: 1

Merilnik napetosti, toka in električne upornosti Digitalni merilnik potrebujemo za meritve električne napetosti in električnega toka, ki jih proizvaja gorivna celica ter električne upornosti, ki jo nastavljamo s pomočjo ročno nastavljivega električnega upor.

mikro-motor


14

Slika 15: Digitalni večnamenski merilnik. IZVEDBA VAJE Priprava eksperimentalne enote 1. Pomembno je, da je gorivna celica pred preizkusom vlažna. Če že nekaj časa ni bila

uporabljena, jo navlažite s pomočjo destilirane vode in brizgalke. To naredite tako, da gorivno celico odvijačite, jo položite na ravno površino (H2 stran naj bo obrnjena navzdol) in napolnite celico z destilirano vodo. Zaprite O2 stran s čepki in enako naredite še za H2 stran. Zaprite vse vhode in izhode iz celice s čepki, jo postavite pokonci in počakajte 1-2 minuti. Nato očistite gorivno celico vode s pomočjo pihanja zraka skozi celico (vsi čepki odstranjeni).

Opozorilo

Polimerna membrana v gorivni celici se lahko poškoduje z nepravilno uporabo, izsušitvijo, kratkostično

vezavo ali z agresivnimi mediji.

- Nikoli ne priključite zunanjega napetostnega vira na gorivno celico.

- Vedno navlažite gorivno celico pred uporabo.

- Uporabljajte samo destilirano vodo.

- V gorivno celico vodite samo navlažene pline. To pomeni, da morajo plini predenj vstopijo v blok gorivnih

celic teči skozi indikatorje pretoka plina oziroma nameščene stekleničke.

- Če sklenete gorivno celico kratkostično, naredite to le za kratek čas.


15

2. Če želite povezati vse gorivne celice serijsko to naredite tako, da povežete - 2H2 z izhodom negativne napetosti (–) celotnega bloka, - 2O2 z 3H2, - 3O2 z 4H2 - 4O2 z 1H2 - 1O2 z izhodom pozitivne napetosti (+) celotnega bloka.

3. Če želite povezati le eno, dve ali tri gorivne celice serijsko pazite, da povežete:

- eno: 1H2 z izhodom negativne napetosti (–) celotnega bloka, 1O2 z izhodom pozitivne napetosti celotnega bloka.

- dve: 1O2 z izhodom pozitivne napetosti (+) celotnega bloka, 1H2 z 4O2, 4H2 z izhodom negativne napetosti (–) celotnega bloka.

- tri: 1O2 z z izhodom pozitivne napetosti (+) celotnega bloka, 1H2 z 4O2, 4H2 z 3O2, 3H2 z izhodom negativne napetosti (–) celotnega bloka.

4. Pravilno povežite rezervoar vodika z gorivno celico preko indikatorja pretoka plinov,

enako povežite tudi črpalko za dobavo zraka. Prav tako pravilno povežite izstop plinov iz gorivne celice. Pravilna namestitev je prikazana na sliki 16.

Slika 16: Pravila povezava rezervoarja vodika ter črpalke za dobavo zraka z blokom gorivne celice.


16

Vaja 1: Določitev krivulje moči ene gorivne celice (gorivna celica št. 2), dveh in štirih gorivnih celic vezanih zaporedno V prvi vaji morate določiti krivuljo električne moči ene same gorivne celice, dveh in štirih gorivnih celic vezanih zaporedno. To storite tako, da pri različnih obremenitvah gorivne celice izmerite tok in napetost na gorivni celici. Obremenitev gorivne celice spreminjamo z nastavljivim električnim uporom vezanim na izhod gorivne celice. Ta električni upor nam omogoča spreminjanje upora od vrednosti 0 Ω do 55 Ω. a) Pravilno pripravite gorivno celico kot je opisano zgoraj v poglavju priprava

eksperimentalne enote in jo povežite z rezervoarjem vodika in s črpalko za dovod zraka.

b) Povežite gorivno celico, električni upor, voltmeter in ampermeter kot kaže skica na sliki 17, 18 in 19. Pazite, kajti za meritev električnega toka (slika 18) je potrebna drugačna vezava kot za meritev električne napetosti (slika 19).

H2 O2

A

R

V

Gor

ivna

cel

ica

Slika 17: Shema meritve električnega toka in električne napetosti. c) Vklopite črpalko za dobavo zraka in jo nastavite na 1,4 l/min, nato za trenutek odprite

regulacijski ventil na rezervoarju vodika, da se gorivna celica napolni z vodikom. d) Najprej nastavite nastavljiv električni upor na 55 Ω in izmerite električni tok in

električno napetost na gorivni celici, nato izmerite električni tok in električno napetost še za upore 50, 40, 30, 20, 10 in 0 Ω. Te upore nastavite približno, pomagajte si z oznakami narisanimi poleg gumbov za spreminjanje električne upornosti.


17

Električni tok in električno napetost izmerite s pomočjo digitalnega večnamenskega merilnika. Na merilniku moramo nastaviti za meritev enosmerne napetosti. Območje naj bo nastavljeno na ''AvtoRange''. Paziti moramo, da imamo pravilno povezano gorivno celico in merilnik, ko merimo električno napetost in električni tok (slika 18).

Slika 18: Pravilna povezava gorivne celice z nastavljivim električnim uporom in ampermetrom za meritev električnega toka.

Slika 19: Pravilna povezava gorivne celice z nastavljivim električnim uporom in voltmetrom za meritev električne napetosti.


18

e) Izmerke beležite v preglednico 1. Preglednica 1: Izmerjen električni tok in električna napetost pri različnih obremenitvah gorivne celice; /za eno samo gorivno celico/. El. upornost, R El. tok, I El. napetost, U El. moč, P

Ω mA V mW ∞ (teoretično) 0 - 0

55 50 40 30 20 10 0

Enako kot za eno gorivno celico določite krivulje moči še za dve in štiri gorivne celice vezane zaporedno. Kako povežemo več gorivnih celic zaporedno, je opisano v poglavju: Priprava eksperimentalne enote. Preglednica 2: Izmerjen električni tok in električna napetost pri različnih obremenitvah gorivne celice; /za dve zaporedno vezani gorivni celici/. El. upornost, R El. tok, I El. napetost, U El. moč, P


55 50 40 30 20 10 0


19

Preglednica 3: Izmerjen električni tok in električna napetost pri različnih obremenitvah gorivne celice; /za štiri zaporedno vezane gorivne celice/. El. upornost, R El. tok, I El. napetost, U El. moč, P


55 50 40 30 20 10 0

Naloga: a) Narišite diagram odvisnosti napetosti od toka in diagram odvisnosti moči od toka in

primerjajte med seboj vse tri izmerjene konfiguracije. b) Iz krivulje moči določite tok, pri katerem daje gorivna celica največjo moč. Določite tudi

upornost bremena, pri katerem dosežemo z gorivno celico največjo moč. Ali je ta upornost neodvisna od števila zaporedno povezanih gorivnih celic.

lastnosti in delovanje polimerne gorivne celicelab.fs.uni-lj.si/kes/laboratorijske/gorivna...

Documents