Ondřej Mišina. Měření volt-ampérové charakteristiky palivových článků

Podobné dokumenty
Vodík jako alternativní ekologické palivo. palivové články a vodíkové hospodářství

Přeměna chemické energie na elektrickou energii GALVANICKÝ ČLÁNEK

1.2 Teoretický úvod. 1. Proměřte voltampérovou charakteristiku PEM elektrolyzéru, sestrojte graf a extrapolací určete. na energii elektrickou.

Ekonomické a ekologické efekty kogenerace

Hybridní pohony. Měniče a nosiče energie. Doc. Ing. Pavel Mindl, CSc. ČVUT FEL Praha

OBSAH. 3.0 Druhy palivových článků, elektrolyty, teploty, paliva, emise. 6.0 Porovnání palivových článků s konvenčními způsoby výroby energie

Palivové články. D. Javůrek, M.Záruba Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT Břehová 7, Praha 1 navy@centrum.cz

PALIVOVÉ ČLÁNKY - ALTERNATIVNÍ ZDROJ ELEKTRICKÉ ENERGIE

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Charakteristika fotovoltaického panelu, elektrolyzéru a palivového článku

VÝROBA VODÍKU reforming benzinových frakcí parní reforming zemního plynu parciální oxidace ropných zbytků zplyňováním biomasy elektrolýza

Palivové články. Obsah 1 Seznam zkratek... 3 Úvod... 3

Laboratoř vodíkových a membránových technologií. Laboratorní práce. Experimentální stanovení charakteristik palivového článku

Decentralizovaná KVET VÝHLEDOVÉ PERSPEKTIVNÍ TYPY ZDROJŮ ELEKTŘINY A TEPLA. Tepelná síť. DKVET na bázi spalovacích motorů

Technická zařízení pro energetické transformace bioplynu

Úvod do vodíkového hospodářství

Sekundární elektrochemické články

Elektrický proud. Opakování 6. ročníku

Elektrický proud 2. Zápisy do sešitu

Laboratorní práce č. 8: Elektrochemické metody stanovení korozní rychlosti

1/82 Malé teplárenské zdroje mikrokogenerace

Lukáš Feřt SPŠ dopravní, Plzeň, Karlovarská 99,

Chemické zdroje elektrické energie

Název materiálu: Vedení elektrického proudu v kapalinách

1. Stanovte a graficky znázorněte charakteristiky vakuové diody (EZ 81) a Zenerovy diody (KZ 703).

Osnova: 1. Zdroje stejnosměrného napětí 2. Zatěžovací charakteristika

Palivové články a jejich využití (funkce, aplikace, infrastruktura)

STUDIE INSTALACE STACIONÁRNÍHO VYSOKOTEPLOTNÍHO PALIVOVÉHO ČLÁNKU

VEDENÍ ELEKTRICKÉHO PROUDU V LÁTKÁCH

Úvod do koroze. (kapitola, která bude společná všem korozním laboratorním pracím a kterou studenti musí znát bez ohledu na to, jakou práci dělají)

Zdroje elektrické energie

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Ústav Jaderného Výzkumu Řež, a.s. Divize jaderné bezpečnosti a energetiky. Palivové články. Ing. Zdeněk Porš

AKUMULÁTORY. Autor: Mgr. Stanislava Bubíková. Datum (období) tvorby: Ročník: devátý

12. Elektrochemie základní pojmy

BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ

15. Elektrický proud v kovech, obvody stejnosměrného elektrického proudu

GALAVANICKÝ ČLÁNEK. V běžné životě používáme název baterie. Odborné pojmenování pro baterii je galvanický článek.

Oxidace a redukce. Hoření = slučování s kyslíkem = oxidace. 2 Mg + O 2 2 MgO S + O 2 SO 2. Redukce = odebrání kyslíku

ELEKTROLÝZA. Autor: Mgr. Stanislava Bubíková. Datum (období) tvorby: Ročník: osmý

Oxidace a redukce. Objev kyslíku nový prvek, vyvrácení flogistonové teorie. Hoření = slučování s kyslíkem = oxidace. 2 Mg + O 2 2 MgO S + O 2 SO 2

Technické sekundární články - AKUMULÁTOR

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 11: Termická emise elektronů

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI

Číslo: Anotace: Prosinec Střední průmyslová škola a Vyšší odborná škola technická Brno, Sokolská 1

Tel-30 Nabíjení kapacitoru konstantním proudem [V(C1), I(C1)] Start: Transient Tranzientní analýza ukazuje, jaké napětí vytvoří proud 5mA za 4ms na ka

Katedra elektrotechniky Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB - TU Ostrava MĚŘENÍ NA JEDNOFÁZOVÉM TRANSFORMÁTORU.

Stanovení korozní rychlosti elektrochemickými polarizačními metodami

PROTOKOL O PROVEDENÍ LABORATORNÍ PRÁCE

Fyzikální praktikum II

OVOČLÁNKY Václav Piskač, Brno 2016

ZÁPIS DO ŠKOLNÍHO SEŠITU část 06 ELEKTRICKÝ PROUD - část 01

Průvodce světem olověných akumulátorů

ELEKTROCHEMIE. Danielův článek e

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

Elektrický proud. Elektrický proud : Usměrněný pohyb částic s elektrickým nábojem. Kovy: Usměrněný pohyb volných elektronů

Uplatnění vodíkového palivového článku

U = E a - E k + IR Znamená to, že vložené napětí je vyrovnáváno

I = Q t. Elektrický proud a napětí ELEKTRICKÝ PROUD A NAPĚTÍ. April 16, VY_32_INOVACE_47.notebook. Elektrický proud

Základy elektrotechniky

Jak funguje baterie?

Identifikace vzdělávacího materiálu VY_52_INOVACE_F.9.A.07 EU OP VK

Měření charakteristik fotocitlivých prvků

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

HODNOCENÍ ROZDÍLNÝCH REŽIMŮ PŘI PROCESU SPALOVÁNÍ

Vývoj pohonných jednotek Bakalářská práce

Chemie - 5. ročník. přesahy, vazby, mezipředmětové vztahy průřezová témata. očekávané výstupy RVP. témata / učivo. očekávané výstupy ŠVP.

Elektrický proud v elektrolytech

C-1 ELEKTŘINA Z CITRONU

Fotokatalytické materiály Materiály a technologie přípravy M. Čada

Proudové pole, Ohmův zákon ELEKTROTECHNIKA TOMÁŠ TREJBAL

Vícefázové reaktory. Probublávaný reaktor plyn kapalina katalyzátor. Zuzana Tomešová

ELEKTRICKÝ PROUD V KAPALINÁCH

Experiment P-10 OHMŮV ZÁKON. Sledování vztahu mezi napětím a proudem procházejícím obvodem s rezistorem známého odporu.

ELEKTRICKÝ PROUD V KAPALINÁCH, PLYNECH A POLOVODIČÍCH

Test vlastnosti látek a periodická tabulka

Základy elektrotechniky 2 (21ZEL2) Přednáška 1

ELEKTRICKÝ PROUD V KOVECH. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Elektřina a magnetismus - 3. ročník

Inovace profesní přípravy budoucích učitelů chemie

UNIVERZITA PARDUBICE. Fakulta elektrotechniky a informatiky. Vozítko poháněné vodíkovým palivovým článkem Radovan Svatoš

Mgr. Ladislav Blahuta

Základy elektrotechniky

OPTIMALIZACE CHEMICKY PODPOROVANÝCH METOD IN SITU REDUKTIVNÍ DEHALOGENACE CHLOROVANÝCH ETHYLENŮ.

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

Elektrický proud v kapalinách

2. Pro každou naměřenou charakteristiku (při daném magnetickém poli) určete hodnotu kritického

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ. Katedra aplikované elektrotechniky a telekomunikací BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

4.4.3 Galvanické články

Úloha I.E... nabitá brambora

Unipolární tranzistor aplikace

ETC Embedded Technology Club 10. setkání

pracovní list studenta RC obvody Měření kapacity kondenzátoru Vojtěch Beneš

Datum: Projekt: Využití ICT techniky především v uměleckém vzdělávání Registrační číslo: CZ.1.07./1.5.00/34.

Funkční vzorek průmyslového motoru pro provoz na rostlinný olej

Transkript:

Ondřej Mišina Měření volt-ampérové charakteristiky palivových článků Vedoucí práce: Mgr. František Tichý Datum odevzdání: 18. 8. 2018

Abstrakt V této práci byl sestaven měřicí obvod pro měření volt-ampérové charakteristiky palivových článků s polymerní iontoměničovou membránou. Tento obvod byl použit pro měření volt-ampérové charakteristiky s ventilátorem foukajícím na článek a bez něj. Byla identifikována ohmická oblast a oblast aktivační polarizace. Ventilátor zvýšil výkon článku o 14%.

Obsah Úvod...1 Metodika...5 Výsledky...6 Diskuze...9 Závěr... 11

Úvod Dostal jsem příležitost spolupracovat v Ústavu jaderného výzkumu v Řeži s Alešem Douckem, který se zabývá vývojem vodíkových technologií. Ty nejspíše budou nedílnou součástí energetického systému budoucnosti, protože neprodukují téměř žádné emise a umožňují efektivní přeměnu chemické energie na elektřinu. Proto si myslím, že je důležité tyto technologie rozvíjet a jsem rád, že jsem měl možnost být alespoň trochu součástí výzkumu. Palivové články jsou technologií umožňující získávání elektrické energie s vysokou účinností a nízkými emisemi. Mohou najít uplatnění jako malý zdroj energie, nahradit standardní baterie nebo fosilní paliva v automobilovém průmyslu. Přestože je tato technologie známá přes sto let, zatím byla ve větší míře použita pouze ve speciálních aplikacích jako vesmírný nebo podmořský průzkum. Obr. 1 schéma palivového článku s polymerní iontoměničovou membránou Palivový článek je zařízení, které transformuje chemickou energii přímo na elektrickou energii. Skládá se ze dvou elektrod, které jsou oddělené elektrolytem. Elektrody jsou typicky porézní a obsahují katalyzátor. K elektrodám je přiváděno palivo a okysličovadlo. Většinou je to vodík na anodě a kyslík na katodě (viz Obr. 1). Na elektrodách se vytváří třífázové rozhraní - elektroda, elektrolyt a reagenty oxidačně 1

redukční reakce. Existuje několik typů palivových článků, které se liší použitým elektrolytem a/nebo reakcemi na elektrodách. Například u palivových článků s polymerní iontoměničovou membránou jako elektrolytem na anodě probíhá reakce H2 = 2H + + 2e -. Vodíkové ionty procházejí elektrolytem na katodu. Uvolněné elektrony jsou vedeny vnějším obvodem, kde se dají využít na elektrickou práci. Na katodě se potom vodíkové ionty, elektrony a kyslík slučují na vodu podle rovnice 2H + + 1 O 2 2 + 2e H 2 O. Elektrody musí umožnit kontakt plynných reaktantů, kapalného elektrolytu a pevné elektrody. Proto jsou elektrody porézní. V pórech se totiž vytváří tenký smáčivý film elektrolytu, skrz který může difundovat plyn a reagovat na povrchu elektrody s kapalinou. Elektrody proto mají co největší povrch. Ve většině palivových článků se využívá platina jako katalyzátor. Podle typu elektrolytu se palivové články dělí na: AFC Alkaline Fuel Cell Elektrolytem je 35% až 85% roztok KOH. Jako palivo se používá H2, pracují při teplotě 70-220 C. Na anodě probíhá reakce H 2 + 2(OH) 2H 2 O + 2e a na katodě 1 O 2 2 + H 2 O + 2e 2(OH). Výhodou je dobrý výkon při použití vodíku jako paliva a možnost použití širokého spektra katalyzátorů. PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell Elektrolytem je kyselina fosforečná. 150-200 C. 2

PEMFC Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell/ Proton Exchange Membrane Fuel Cell Pracují při teplotě cca 80-120 C. Jejich výhodou je pevný elektrolyt, který zjednodušuje údržbu. Pracují při nízké teplotě, a proto mají rychlý start, což umožňuje jejich využití v automobilovém průmyslu. MCFC Molten Carbonate Fuel Cell Elektrolytem je tavenina alkalických uhličitanů. Pracují při vysoké teplotě 600-700 C. Při této vysoké teplotě nejsou potřeba drahé kovy jako katalyzátor. Umožňují využití více paliv jako H2, CO nebo zemní plyn. Jejich výhodou je vysoká účinnost. SOFC Solid Oxide Fuel Cell Tyto palivové články pracují při relativně nejvyšších teplotách 700-1000 C. Kvůli tomu ale snadno korodují a trvá dlouho, než nastartují. Na druhou stranu ale mají velmi dobrou účinnost a na rozdíl od PEMFC mohou využít i jiných katalyzátorů než platiny. Jako palivo mohou použít H2, CO nebo zemní plyn. Pokud využívají jako palivo vodík, na anodě probíhá reakce H 2 + O 2 2 H 2 O + 2e a na katodě 1 O 2 2 + 2e O. Elektrolyt je pevný, obvykle z Y2O3 nebo ZrO2, a prochází jím kyslíkové ionty. Aby mohly palivové články využívat i jiné palivo než vodík, využívá se reformování. Za vysokých teplot se parciální oxidací z původního paliva vytvoří vodík a to buďto mimo článek, nebo i přímo v článku (tzv. vnitřní reforming). Toho se využívá hlavně u vysokoteplotních článků, protože se palivo na vysokou teplotu stejně musí zahřát, tak se na reformování nespotřebuje příliš mnoho energie. U vysokoteplotních článků, především u SOFC, mají výstupní plyny dostatečnou teplotu, aby je bylo možné použít v plynové turbíně, čímž se ještě zvýší účinnost zařízení. 3

Palivové články mají oproti konvenčním zdrojům elektřiny tyto výhody: vysokou účinnost nízké emise vysoké rozmezí výkonů nehlučný provoz V této práci byly měřeny palivové články typu PEMFC. Konkrétně byla měřena voltampérová charakteristika, protože ukazuje důležité vlastnosti zdroje. Například maximální výkon a při jakých proudech nastává nebo vnitřní odpor zdroje. K měření byl použit mini počítač Arduino Uno, který umožnil řízení experimentu a zaznamenávání dat. PEMFC mají maximální teoretické napětí cca 1,2 V. Reálné napětí je nižší kvůli ohmickým ztrátám a ztrátám způsobených aktivační a reakční polarizací. Tyto ztráty se mění s proudovou hustotou. Ohmické ztráty se dají vyjádřit vztahem U = a bi. Parametry a a b se dají určit experimentálně. Ke koncentrační polarizaci dochází při vysokých proudových hustotách, protože reaktanty nemůžou dostatečně rychle difundovat k místu reakce. Obecně volt-ampérové charakteristika palivových článků vypadá takto: Při nízkých proudových hustotách napětí s proudem prudce klesá, poté se pokles zpomalí a začne být ohmický až od proudových hustot, při který začíná koncentrační polarizace, potom zase rychleji klesá až k nule. 4

Metodika Obr. 2 K měření použit obvod znázorněný na Obr. 2. Piny 2 až 7 jsou výstupy minipočítače Arduino, kterými je regulována zátěž. Napětí bylo měřeno na analogovém vstupu čipu ATmega328P, který je součástí minipočítače Arduino, s rozlišením 3,23 mv. Proud byl měřen pomocí proudového senzoru ACS712 jehož analogový napěťový výstup byl také měřen na vstupu čipu ATmega328P. Jako zátěž byly použity odpory spínané unipolárními transistory. Celkový rozsah byl cca 16,4 Ω až 0,25 Ω. Byl měřen palivový článek typu PEMFC o ploše cca 4 cm 2, který byl nepřetržitě napájen vodíkem z elektrolyzéru a vzdušným kyslíkem. Článek byl měřen při teplotě cca 25 C s ventilátorem foukajícím na článek a bez něj. Před měřením byl palivový článek několik minut připojen k zátěži, aby se zvlhčila membrána. 5

Napětí [V] Jeden cyklus měření probíhal takto: 5s - měřený zdroj odpojen 10s - sepnuta kombinace rezistorů, z toho 2s čekání na ustálení a 8s měření napětí a proudu Tento cyklus byl proveden pro všech 64 kombinací sepnutí rezistorů a to tak, že se celkový odpor postupně snižoval. Výsledky Na Chyba! Nenalezen zdroj odkazů. je vidět závislost napětí na proudu u palivového článku. V oblasti proudu 0-100 ma klesá napětí nejrychleji. V oblasti znázorněné oranžově je jasně zřetelná lineární závislost. Při proudu větším než 500 ma nepatrně narůstá rychlost snižování napětí s proudem. 0,9 0,8 0,7 y = -0,6891x + 0,6482 R² = 0,9988 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Proud [A] Graf 1 - palivový článek bez ventilátoru 6

Napěťová účinnost Výkon [W] Chyba! Nenalezen zdroj odkazů. znázorňuje závislost výkonu na proudu. Výkon dosahuje maxima 154 mw při proudu 446 ma. 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Proud [A] Graf 3- palivový článek s ventilátorem 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 Výkon [W] Graf 2 palivový článek bez ventilátoru 7

Napětí [V] Chyba! Nenalezen zdroj odkazů. znázorňuje závislost napěťové účinnosti na výkonu. Napěťová účinnost je definována jako η V = skutečné napětí teoretické napětí a je přímo úměrná účinnosti. Při nižším proudu je vyšší účinnost. V oblasti, kde účinnost se stoupajícím výkonem klesá, je nižší proud než v oblasti, kde účinnost se stoupajícím výkonem stoupá. Graf 4 ukazuje závislost napětí na proudu u experimentu, kdy byl použit ventilátor. Na rozdíl od experimentu bez ventilátoru je při stejných proudech o něco vyšší napětí a chybí mírné zvýšení poklesu napětí při vyšších proudech. 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Proud [A] Graf 4 palivový článek s ventilátorem 8

Diskuze Ve výsledcích je vidět jak oblast, kde dochází ke ztrátám kvůli aktivační polarizaci, tak i ohmická oblast, kde napětí klesá lineárně s proudem. Očekávaný pokles napětí při vysokých proudových hustotách způsobený koncentrační polarizací není jasně rozeznatelný. Pouze u experimentu, kde nebyl použit ventilátor, je vidět mírné zrychlení poklesu napětí. Lze předpokládat, že pokud by byly měřeny i vyšší proudy, koncentrační polarizace by se projevila více. U experimentu, kde byl použit ventilátor, není vidět žádné zrychlení poklesu napětí. To lze vysvětlit tak, že zrychlení poklesu napětí u experimentu bez ventilátoru bylo způsobené nedostatkem kyslíku. Tím, že ventilátor obměňoval vzduch kolem článku, se kyslík mohl snáze dostat na elektrodu. Koncentrační polarizace by nejspíše nastala, ale při vyšších proudech, než jaké byly měřeny. Dostatek kyslíku u experimentu s ventilátorem zvýšil maximální výkon palivového článku o 14%. Graf závislosti výkonu na proudu má přibližně předpokládaný tvar. Maximální výkon je při proudu cca 450 ma. Protože s rostoucím proudem klesá účinnost, znamená to, že provozovat tento článek při proudech větších než cca 450 ma je neefektivní. Stejného výkonu lze totiž u tohoto článku dosáhnout s větší účinností při nižších proudech. Experiment podtvrdil teoretické předpoklady a předchozí měření. Při experimentu nebyly přesně kontrolované podmínky jako teplota. Také ventilátor neměl přesné parametry. To znamená, že experiment není možné opakovat v úplně stejných podmínkách. Měřicí obvod by bylo možné vylepšit. V tomto experimentu nebylo možné dosáhnout vysokých proudů, takže nebyla měřena celá volt-ampérová charakteristika. Také 9

zvolená zátěž znamenala, že bylo málo datových bodů při nízkých proudech a možná zbytečně mnoho datových bodů při vysokých proudech. Naopak výhodou této zátěže bylo, že se měření snadno automatizovalo. Na provedené experimenty by se dalo navázat experimenty, kde by se měnily další parametry, které mohou ovlivnit vlastnosti článku. Například různé teploty a různá kvalita paliva. 10

Závěr V této práci byl sestaven měřicí obvod pro měření volt-ampérové charakteristika PEMFC a byl vyzkoušen při experimentu. Experiment byl proveden ve dvou uspořádání, s ventilátorem foukajícím na článek a bez něj. Výsledky v celku odpovídaly předpokladu, byl vidět pokles napětí v důsledku aktivační polarizace, rozsáhlá ohmická oblast a náznak poklesu napětí v důsledku koncentrační polarizace. Ta se ale nejspíše výrazněji projevuje mimo měřené proudy. Také bylo ukázáno, že ventilátor zvýšil výkon palivového článku, což lze zdůvodnit zlepšením přísunu kyslíku. Přínosem práce je, že se měřicí obvod dá využít na další experimenty. Bylo vyzkoušeno, že dokáže zachytit důležité rysy volt-ampérové charakteristiky palivových článků. 11