1.2 Výkonová charakteristika, výpočet spotřeby paliva, zhodnocení účinnosti palivového článku Cíle kapitoly: Jedním z cílů úlohy je vyrobit vodík, změřit výkonovou charakteristiku PEM palivového článku o výkonu 2 W. Dále ukázat závislost spotřeby vodíku na čase. Čas spotřeby vodíku bude stanoven i numericky a bude konfrontován s časem získaným měřením. Dalším cílem je vypočítat celkovou a Faradayovu účinnost palivového článku. 1.2.1 Úvod Obecně je několik typů palivových článků, které je dále možné rozdělovat podle různých parametrů a vlastností. Palivové články typu PEM se řadí do kategorie nízkoteplotních (do 200 C) článků. Vyznačující se dobrou dynamikou regulace výkonu, bezhlučným chodem či nízkými emisemi škodlivin. Nacházejí větší uplatnění u přenosných a mobilních aplikací. Méně frekventované jsou u aplikací stacionárních. Díky nízké teplotě nejsou vhodné pro spolupráci například s kogeneračními jednotkami. Častější uplatnění mají proto v automobilovém průmyslu. Obecně u PEM článků je na anodu přiváděno palivo (vodík H 2 ) a na katodu je přiváděn oxidant (kyslík O 2 ). Na jednotlivých elektrodách dochází k následujícím chemickým reakcím: Reakce na anodě (dochází k oxidaci => atom vodíku ztrácí elektrony): H 2 2H + + 2e - Reakce na katodě (dochází k redukci => atom kyslíku přijímá elektrony): ½ O 2 + 2e - + 2H + H 2 O Souhrnná rovnice palivového článku typu PEM: H 2 + ½ O 2 H 2 O Základní rovnice výroby elektrické energie z palivového článku jsou svým způsobem obdobné jako u elektrolýzy, poněvadž se jedná o reverzibilní procesy, které vycházejí z Faradayových zákonů. První Faradayův zákon vyjadřuje vztah mezi velikostí procházejícího proudu a množstvím respektive objemem vyloučené či spotřebované látky. Jednoduše řečeno, u PEM palivového článku, sloučením vodíku a kyslíku na vodu jsou získány elektrony, pro elektrický náboj lze psát (1) I (v A) je elektrický proud, t (v s) je čas, n (v mol) látkové množství, ν (-) je počet uvolněných elektronů při sloučení jedné molekuly (vodíku a kyslíku na vodu) a F (v C. mol -1 ) je Faradayova konstanta. Faradayova účinnost přestavuje zjednodušeně podíl objemů této látky, konkrétně podíl skutečně spotřebované (změřeno) a teoretické (vypočteno) č ý ý (2)
kde V H2-skutečný (v m 3 ) je skutečný objem vodíku, který byl spotřebován a změřen a V H2- teoretický (v m 3 ) je teoretický objem vodíku, který by byl spotřebován. Teoretický objem spotřebovaného plynu vychází ze stavové rovnice ideálního plynu ý (3) kde p (v Pa) je okolní tlak (atmosférický), R (v J. mol -1. K -1 ) je univerzální plynová konstanta, T (v K) je teplota okolí, a dále vychází z Faradayova zákona. Lze tedy psát ý Celkovvou účinnost palivového článku lze zjednodušeně vypočítat jako podíl energie získané (ve formě vygenerované elektrické energie) k energii spotřebované (ve formě energie uchované ve spotřebovaném vodíku) í á. ř á (5) E získaná (elektr) (v J) je elektrická energie vyrobená palivovým článkem získaná ve formě vyrobeného vodíku. Tuto energii nevyjádřit jako í á. (6) a kde E spostřebovaná (H2.) (v J) je energie kterou obsahuje spotřebované množství vodíku a lze ji vyjádřit jako ř á č ý (7) kde H l (v J. m -3 ) je energetická konstanta uvádějící nižší spalné teplo pro vodík a je rovna 10,8. 10 6 J. m -3. Abychom znali elektrické vlastnosti palivového článku, je dobré změřit základní charakteristiky, které se u elektrických zařízení zjišťují a měří, jedná se o V-A a výkonovou charakteristiku, které mají svůj specifický tvar. (4) 1.2.2 Rozbor úlohy Aby bylo možné proměřit palivový článek typu PEM, je třeba disponovat palivem respektive vodíkem. Vodík je nutno nejdříve vyrobit v elektrolyzéru a uskladnit v zásobníku vodíku, jak je ukázáno na Obr. 1.1., kdy je využito stejnosměrného regulovatelného laboratorního zdroje 0-30V/5A a digitálních multimetrů. První úkol je správně propojit jednotlivé komponenty měřícího systémů dle Obr. 1.1. a připravit se tak na výrobu vodíku. Jakmile bude pracoviště zapojené a zkontrolované vyučujícím, je nutné vodní zásobník elektrolyzéru naplnit destilovanou vodou, minimálně po dolní rysku, která je zobrazena na zásobníku. Destilovanou vodu je taky nutné doplnit do horní části vodíkového zásobníku. Voda steče do spodní části zásobníku. Odtud bude případně produkovaným vodíkem vytlačena zpátky do horní části zásobníku. Vody nalijeme tolik, aby voda dosahovala rysky s hodnotou 0 cm 3. Naplnění zásobníku si necháme zkontrolovat vyučujícím.
Obr. 1.1: Schéma zapojení pracoviště pro výrobu vodíku elektrolyzérem Způsob jak proměřit základní výkonové charakteristiky palivového článku typu PEM je uveden na Obr. 1.2. V rámci úlohy jsou řešeny tři možnosti jak měření provést. a) Jednak můžeme využít měřící karty H-TEC, v tomto případě nemusíme do obvodu řadit odporovou dekádu či posuvný odpor, jelikož je součástí karty. b) Další způsob je použít digitálních multimetrů a odporové dekády či posuvného odporu. c) Poslední možností jsou měřící karty NI a opět vřazená odporová dekáda či posuvný odpor. Obr. 1.2: Schéma zapojení pracoviště pro základní měření palivového článku Konkrétní propojení kontaktů měřící karty H-TEC je naznačen na následujícím Obr 1.3. Obr. 1.3: Základní schéma připojení měřící karty H-TEC k palivovému článku
V případě, že bude použito měřících karet NI 9215 (pro měření napětí) a NI 9227 (pro měření proud), budou karty pro studenty správně nakonfigurovány a připraveny pro okamžité měření. Již nakonfigurované karty je tedy nutno pouze správně zapojit do měřícího systému, podle množství využitých kanálů na měřících kartách. Propojení kontaktů měřících karet je naznačeno na Obr. 1.4. Obr. 1.4: Zapojení kontaktů měřících karet NI 9215 (napětí) a NI 9227 (proud) V další fázi měření si všichni účastníci experimentu nasadí ochranné brýle. Zkontrolujeme, zdali je spodní ventil vodíkového zásobníku v otevřené poloze a zdali je horní (vypouštěcí) ventil v zavřené poloze. Začneme napájet elektrolyzér jmenovitými hodnotami napětí a proudu. Vodík vyrábíme tak dlouho, dokud hodnota na zásobníku vodíku nedosáhne hodnoty 70 cm 3. Nyní jsou uvedeny možné postupy měření. a) H-TEC karta Pro měření výkonové charakteristiky článku přes H-TEC kartu není zapotřebí do obvodu řadit odpor R. Pracoviště respektive měřící kartu H-TEC zapojíme dle Obr. 1.2 a Obr. 1.3. Zapojení pracoviště necháme zkontrolovat vyučujícím. Dále se na výpočetní jednotce spustí aplikace Fuel Cell Monitor 3.0, která slouží pro měření výkonové charakteristiky. Měřící kartu je nejprve nutno správně nakonfigurovat a připravit na měření. Při spuštění aplikace se objeví nabídka, která slouží pro základní nastavení aplikace. Je tak nutné nastavit jazyk (English), správnou komunikaci s PC (COM3), zadat kam a v jakém formátu (*.txt,*.csv) se nám budou ukládat změřená data. Dále v nabídce Measurement options, nastavíme parametry probíhajícího měření. V záložce Fuel cell, lze vybrat způsob měření charakteristik, vybereme pro z nabídky možnost Automatic nebo Manual. Okna s těmito nabídkami jsou ukázány na následujícím Obr. 1.5. Obr. 1.5. Náhled na základní konfiguraci aplikace pro měření PEM palivového článku
Náhled na aplikaci Fuel Cell Monitor 3.0 je na Obr. 1.6. Obr. 1.6: Aplikace FCM pro měření výkonové charakteristiky PEM palivového článku Nyní vypouštěcí ventil u vodíkového zásobníku otevřeme, aby vodík mohl proudit do palivového článku. Dále stiskneme v aplikaci tlačítko Start a zahájíme měření charakteristiky. Měření probíhá automaticky. Jakmile budou charakteristiky proměřené, zmáčkneme tlačítko Cancel. A měření ukončíme. Nyní se můžeme kurzorem pohybovat po charakteristikách a zjišťovat elektrické parametry pro příslušná místa na charakteristice. b) Digitální multimetry a odporová dekáda či posuvný odpor Pro měření výkonové charakteristiky článku pomocí digitálních multimetrů je potřeba řadit do obvodu odpor R. Pracoviště zapojíme dle Obr. 1.2. a necháme jej zkontrolovat vyučujícím. Měření bude probíhat směrem k nižším hodnotám odporu, aby byl minimalizován vliv poklesu výkonu s časem. Výchozí hodnotu odporu R proto stanoví vyučující. Poté bude měření probíhat až do hodnoty odporu 0 Ω. Postupně tak proměříme výkonovou charakteristiku a hodnoty postupně zapisujeme do excelovské tabulky na výpočetní jednotce. Současně se zapisováním hodnot si necháme vykreslovat charakteristiku. Můžeme tak efektivněji měnit krok změny odporu. c) Digitální multimetry a odporová dekáda či posuvný odpor Měření je obdobné jako u předešlého způsobu, avšak je využito měřících karet NI. Karty je tady nutno správně zapojit dle Obr. 1.4. Během měření nesmí hodnota napětí překročit hodnotu 5V. Dále se na výpočetní jednotce se spustí aplikace VA, která je vytvořená v LabView a slouží pro měření výkonové charakteristiky. Náhled na tuto aplikaci je na Obr. 1.7.
Obr. 1.7: Aplikace VA v LabView pro měření výkonové charakteristiky palivového článku Měření zahájíme opět pro výchozí hodnotu odporu stanovenou vyučujícím. Počáteční měřené hodnoty je pak nutno zapsat v aplikaci do tabulky a vykreslit ji do příslušných grafů. Pro zápis se použije tlačítko Save values. Při prvotním zmáčknutí a zapsání hodnoty se objeví i možnost pro uložení souboru (ve formátu*.txt) na pevný disk výpočetní jednotky. Změnou hodnoty odporu směrem k 0 Ω bude obdobným způsobem zaznamenána kompletní výkonovou charakteristiku měřeného palivového článku. Tj. budou zaznamenávány hodnoty napětí, proudu a výkonu. Díky tomu, že je charakteristika vykreslována ihned po změření, lze dobře zvolit i krok měření (změny odporu). Nejjemnější krok by měl být v oblastech zlomu V-A charakteristiky, tj. oblast výkonového maxima článku. Budeme-li chtít charakteristiku proměřit znovu je vhodné vyčistit tabulku a zobrazené charakteristiky, a to pomocí tlačítka Clear table respektive Clear graphs. Bude však pravděpodobně nutné opět vyrobit vodík v elektrolyzéru. Další částí této úlohy je zjištění spotřeby vodíku respektive jeho snižujícího se objemu v čase. Zapojení pracoviště zůstává stejné. Bude však pravděpodobně nutné opět vyrobit vodík v elektrolyzéru viz. výše. Dále vyučující zadá hodnotu odporu, pro kterou se bude spotřeba vodíku měřit. Po nastavení odporu, začínáme zaznamenávat spotřebovávaný objem vodíku dle stupnice uvedené na vodíkovém zásobníku. Krok měření je 5 s a měření trvá tak dlouho, dokud nebude vodíkový zásobník prázdný, tj 0 cm 3. V rámci měření je nutno odečítat i hodnoty napětí a proudu. Změřené elektrické parametry poslouží jako vstupní veličiny pro teoretický výpočet doby (dle výše uvedených vztahů), za kterou se vodíkový zásobník měl spotřebovat. Ze změřených hodnot, z hodnot uvedených v úvodu a z tabulkových hodnot bude stanovena celková účinnost palivového článku respektive účinnost Faradayova. 1.2.3 Úkol měření Pomocí měřící karty H-TEC, měřících karet (napětí a proud) a výpočetní jednotky nebo pomocí digitálních multimetrů změřte výkonovou charakteristiku PEM palivového článku. Ze změřených dat (*.txt) vyneste výkonovou charakteristiku. Stanovte maximální výkon. Dále proměřte závislost spotřeby vodíku (objem) na čase. Změřte čas, za který se vodíkový zásobník vyprázdní (při konstantním odporu R). Vypočtěte teoretický čas, kdy by se vodíkový zásobník vyprázdnil. Oba časy, změřený a vypočtený, navzájem porovnejte. Případné rozdíly je nutné zdůvodnit. Ze změřených hodnot, z hodnot uvedených v úvodu a z tabulkových hodnot stanovte celkovou účinnost palivového článku respektive účinnost Faradayovu.
1.2.4 Použité měřicí přístroje a komponenty - Palivový článek 2W - PEM elektrolyzér 15W se zásobníkem vody - Zásobník vodíku 80 cm 3 - Laboratorní regulovatelný DC zdroj 0-30V/5A - Měřící karta H-TEC - Měřící karty (NI 9215, NI 9227) nebo digitální multimetry - Výpočetní jednotka - Odporová dekáda nebo posuvný odpor - Destilovaná voda - Propojovací kabely 1.2.5 Postup měření Společná část postupu 1. Dle Obr 1.1. zapojte pracoviště pro výrobu vodíku elektrolyzérem. Správnost zapojení měřícího pracoviště nechte zkontrolovat vyučujícím. 2. Naplňte zásobníky destilovanou vodou. Vodíkový po rysku 0 m 3, vodní zásobník minimálně po rysku Minimum. 3. Správnost naplnění si nechte zkontrolovat vyučujícím. Zkontrolujte uzavřenost vypouštěcího respektive otevřenost napouštěcího uzávěru u vodíkového zásobníku. 4. Nasaďte si ochranné brýle. Nastavte na laboratorním zdroji jmenovité hodnoty elektrolyzéru a vyrobte vodík (80 cm 3 ). A) Pomocí měřící karty H-TEC 5. Zapojte pracoviště a měřící kartu H-TEC dle Obr. 1.2 a Obr. 1.3. Zapojení pracoviště si nechte zkontrolovat vyučujícím. 6. Spusťte program Fuel Cell Monitor 3.0 (na ploše PC) pro měření výkonové charakteristiky palivového článku. V programu nastavte: jazyk = English, komunikaci s PC = COM3, zadejte cestu pro uložení souboru a zvolte jeho formát (*.txt,*.csv). V nabídce Measurement options nastavte v záložce Fuel cell možnost Automatic nebo Manual. 7. Otevřete vypouštěcí ventil u vodíkového zásobníku. 8. Měření provedete stisknutím tlačítka Start. Ukončíte tlačítkem Cancel. 9. Účinnosti článku zjistěte způsobem uvedeným dále v textu. B) Pomocí měřících karet NI 5. Zapojte pracoviště a měřící karty NI dle Obr. 1.2 a Obr. 1.4. Zapojení pracoviště si nechte zkontrolovat vyučujícím. 6. Spusťte program VA (na ploše PC) pro měření výkonové charakteristiky palivového článku. 7. Nastavte výchozí hodnotu odporu na odporové dekádě či na posuvném odporu (stanoví vyučující). Otevřete vypouštěcí ventil u vodíkového zásobníku. 8. Tlačítkem Save values zaznamenejte hodnoty. Při prvotním zmáčknutí tlačítka se objeví možnost pro uložení souboru na pevný disk výpočetní jednotky. Uložte tedy soubor ve formátu *.txt.
9. Změnou odporu (snižováním k nule) a následně tlačítkem Save values, změřte výkonovou charakteristiku palivového článku. Krok měření zvolte tak, aby nejnižší krok byl v ohybu charakteristiky (dle vykreslovaných grafů výkonové maximum). Nechte hodnotu vždy na 5 s ustálit. 10. Po změření charakteristiky vyčistěte tabulku s hodnotami a grafy, pomocí tlačítka Clear table respektive pomocí Clear graphs. 11. Vyrobte znovu vodík, viz. výše. 12. Nastavte novou hodnotu odporu na odporové dekádě či na posuvném odporu (stanoví vyučující). Otevřete vypouštěcí ventil u vodíkového zásobníku. Změnou odporu se snažte vyráběný proud udržet konstantní. 13. Měřte a zapisujte (do excelu) hodnoty spotřebovaného vodíku, napětí a proudu s krokem 5s a času. Krok měření 5 s, až do spotřebování vodíku 10 cm 3. 14. Po ukončení měření si data z pevného disku uložte na svůj flashdisk a z PC vymažte vámi ukládaná data. C) Pomocí digitálních multimetrů Postup je obdobný jako u měření pomocí karet NI. Pro změření a záznam výkonové charakteristiky se však využije digitálních multimetrů a programu Excel. 1.2.6 Zpracování výsledků Z naměřených hodnot graficky zpracujte výkonovou charakteristiku PEM palivového článku. Zjistěte hodnotu maximálního výkonu. Odchylku od teoretických hodnot zdůvodněte. Vyneste závislost spotřeby vodíku na čase. Zjistěte čas, kdy byl vodíkový zásobník vyprázdněn. Pro stejné elektrické parametry palivového článku vypočtěte teoretickou hodnotu času, kdy by byl zásobník vyprázdněn. Časy mezi sebou porovnejte a rozdíly patřičně okomentujte. Vypočtěte celkovou a Faradayovu účinnost. Výsledky zdůvodněte. 1.2.7 Závěr Změřené hodnoty vyneste do grafů a stanovte požadované veličiny. Vypočtené veličiny okomentujete a případně mezi sebou porovnejte. 1.2.8 Shrnutí kapitoly Laboratorní úloha seznámí s provozem PEM palivového článku. Ukáže a představí základní postup měření výkonové charakteristiky palivového článku v laboratorních podmínkách a za použití výpočetní techniky a měřících karet NI a H-TEC. Dále ukáže závislost spotřeby vodíku na čase. Bude změřen čas, kdy se vyprázdní vodíkový zásobník. Tento čas bude určen i teoreticky, je tak možné oba časy konfrontovat a zdůvodnit případné rozdíly. Ze změřených hodnot, z hodnot uvedených v úvodu a z tabulkových hodnot bude stanovena celková a Faradayova účinnost palivového článku. 1.2.9 Kontrolní otázky 1. Do jaké teploty jsou palivové články považovány za nízkoteplotní? 2. Jaké výhody mají palivové články? Uveďte minimálně čtyři. 3. Jaké nevýhody mají palivové články? Uveďte minimálně tři. 4. Jakou účinnost přibližně dosahují PEM palivové články? 5. Jakého skupenství je elektrolyt u měřeného PEM palivového článku?