Wyznaczanie podstawowych parametrów ogniwa paliwowego

(1)

Wyznaczanie podstawowych

parametrów ogniwa paliwowego

(2)

Spis ćwiczeń

1. Charakterystyka IU (prądowo-napięciowa) dla zacienionego i oświetlonego modułu solarnego

2. Natężenie prądu w funkcji odległości i kąta padania promieni świetlnych 3. Prawa Faradaya

4. Wydajność Faradaya i wydajność energetyczna elektrolizera

5. Charakterystyki ogniw paliwowych połączonych równolegle i szeregowo 6. Wydajność Faradaya i wydajność energetyczna ogniwa paliwowego 7. Prawo Faradaya dla ogniwa paliwowego

8. Woda = 2 cząsteczki wodoru + 1 cząsteczka tlenu

(3)

I. Charakterystyka IU (prądowo-napięciowa) dla oświetlonego modułu solarnego

1. Zestaw przyrządów

Moduł solarny 5 przewodów połączeniowych Moduł obciążenia Lampa 100 – 150 W

Amperomierz Woltomierz 2. Pomiary

Zmontować układ pomiarowy przedstawiony na rys. 1

Rys. 1. Schemat pomiarowy układu do wyznaczania charakterystyki IU oświetlonego modułu solarnego

(4)

1. Oświetl dobrze moduł solarny przy pomocy lampy (odległość pomiędzy lampą i modułem solarnym powinna wynosić ok. 30 cm, prąd zwarcia powinien wynosić ok.

700 mA).

2. Poczekaj ok. 5 minut, dopóki moduł solarny nie nagrzeje się i charakterystyka będzie mogła być wyznaczona dla stałej wartości temperatury.

3. Rozpocznij pomiar prądu zwarcia (przy pominiętej rezystancji). Następnie zmierz napięcie i natężenie prądu dla różnych wartości rezystancji (0.3, 0.5, 1, 2, 3, 5, 10, 20, 50, 100 ). Ostatni pomiar należy wykonać dla pozycji „OPEN”.

4. Sporządź tabele wyników pomiarów

5. Powtórzyć pomiary dla odległości pomiędzy lampą i modułem solarnym (np. 20 cm i 40 cm) - wersja dodatkowa

3. Analiza wyników pomiarów

1. Narysuj wykres IU (charakterystyka IU oświetlonego modułu solarnego).

2. Zinterpretuj tę charakterystykę.

3. Wyznacz punkt mocy maksymalnej (PMM) przez narysowanie wykresu mocy P w funkcji napięcia.

4. Określ wpływu natężenia oświetlenia na moc modułu solarnego

(5)

II. Natężenie prądu w funkcji odległości i kąta padania promieni świetlnych

Moduł solarny 2 przewody połączeniowe Lampa 100 – 150 W Amperomierz

Woltomierz Kątomierz 5. Pomiary

Rys. 2. Schemat pomiarowy układu pomiarowego

1. Używając kątomierza ustaw moduł solarny w pozycji 0 w stosunku do źródła światła i oświetl go lampą (dla uzyskania przypływu prądu około 400 mA). Odległość pomiędzy lampą i modułem solarnym powinna wynosić około 50 cm. Jeśli jedna lampa dostarcza za mało światła użyj dwóch lamp.

(6)

2. Kąt padania promieni świetlnych może być regulowany przez przesunięcie modułu solarnego i mierzony za pomocą kątomierza.

3. Należy zachować ostrożność przy dotykaniu modułu solarnego, ponieważ może być bardzo gorący!

4. Należy wykonać pomiar natężenia prądu (prąd zwarcia) dla różnych kątów padania światła (w 10 krokach, między 0 i 90). Obracaj moduł solarny zarówno w prawo jak i w lewo.

Dokonaj pomiarów dla obu stron i wylicz średnią. Pozwoli to skompensować zmiany/wahania w wiązce światła.

5. W drugim części ćwiczenia ustaw odległość „d = 50 cm” pomiędzy modułem solarnym i lampą oraz dokonaj pomiaru natężenia prądu dla różnych odległości (w 10 cm krokach, między 50 cm i 150 cm).

1. Narysuj wykresy: I=f() oraz I=f(cos).

2. Narysuj wykresy: I=f(d) oraz I=f(1/d²).

3. Jakie zależności wynikają z powyższych wykresów i jakie może to mieć znaczenie w praktyce?

(7)

III.

Charakterystyka elektrolizera

Moduł solarny 5 przewodów połączeniowych Lampa 100 – 150 W Amperomierz

Woltomierz Woda destylowana Elektrolizer

Należy przestrzegać instrukcji obsługi!

Należy używać okulary ochronne i trzymać źródła ognia z dala od miejsca wykonywania eksperymentu!!!

2. Pomiary

Rys. 3. Schemat pomiarowy układu pomiarowego

1. Zmieniaj natężenie oświetlenia dla ustawienia prądu modułu solarnego, np. poprzez obracanie modułu solarnego pod różnymi kątami w stosunku do promieniowania

(8)

świetlnego. Ustawiaj różne wartości natężenia prądu, zaczynając od małych wartości, około 30 mA i zwiększając do około 800 mA. Dokonaj pomiarów napięcia elektrolizera.

Należy wykonać przynajmniej 8 pomiarów natężenia prądu i napięcia 2. Sporządź tabelę wyników pomiarów

1. Narysuj charakterystykę IU elektrolizera.

2. Zinterpretuj charakterystykę IU.

(9)

IV. Prawo Faradaya

Moduł solarny 3 przewody połączeniowe Lampa 100 – 150 W Amperomierz

Woltomierz Woda destylowana Elektrolizer Wężyk

Zacisk na wężyk Stoper

2. Pomiary

Zmontować układ pomiarowy przedstawiony na rys. 4.1

Rys.4.1 Schemat układu pomiarowego

(10)

1. Sprawdź polaryzację!!! Dodatni biegun modułu solarnego powinien być przyłączony do dodatniego bieguna elektrolizera a ujemny biegun modułu solarnego do ujemnego bieguna elektrolizera.

2. Upewnij się, że obydwa pojemniki na gaz, elektrolizera napełnione są wodą destylowaną do poziomu 0 ml. Przed wykonaniem pomiarów szczelnie zamknij zacisk na wężyku przyłączonym do zbiornika na wodór (Rys.4.2). Generowany wodór będzie gromadzony w tym pojemniku.

3. Ustaw moduł solarny tak aby produkował stałą wartość prądu (np. 850 mA) i dokonaj pomiaru ilości wodoru generowanej w różnych okresach czasu (od 60 s do 210 s, w 30 s krokach).

4. Sporządź tabelę wyników

5. Wykonaj pomiary w stałym czasie (t=180 s). Nastawiaj różne wartości prądów przez ustawianie modułu solarnego pod różnymi kątami (w 200 mA krokach, pomiędzy 200 mA a 800 mA). Zmierz ilość wodoru generowanego przez te prądy.

(11)

Pomiary dla prądu o natężeniu 800 mA wymagają zastosowania lampy o dużej mocy.

Moduł solarny może być oświetlany tylko na tym poziomie natężenia oświetlenia podczas wykonywania pomiarów.

1. Wykreśl 2 wykresy bazujące na danych z tabeli [1] i [2] (ilość H2 w funkcji czasu oraz ilość H2 w funkcji prądu).

2. Zbadaj relację między ilością uwolnionego wodoru i przeniesionego ładunku (1–sze prawo Faradaya).

3. Przeanalizuj 2-gie prawo Faradaya.

(12)

V. Wydajność Faradaya i wydajność energetyczna elektrolizera

Woltomierz Woda destylowana Elektrolizer Wężyk

Zacisk na wężyk Stoper

2. Pomiary

(13)

1. Sprawdź polaryzację! Dodatni biegun modułu solarnego powinien być przyłączony do dodatniego bieguna elektrolizera a ujemny biegun modułu solarnego do ujemnego bieguna elektrolizera.

2. Upewnij się, że obydwa pojemniki na gaz, elektrolizera napełnione są wodą destylowaną do poziomu 0 ml. Przed wykonaniem pomiarów szczelnie zamknij zacisk na wężyku przyłączonym do zbiornika na wodór (Rys.5.2). Generowany wodór będzie gromadzony w tym pojemniku.

Rys.5.2 Schemat podłączenie zacisku na wężyk

3. Ustaw moduł solarny tak aby produkował stałą wartość prądu (np. 800 mA) i dokonaj pomiaru ilości wodoru generowanej w różnych okresach czasu. Wykonaj trzy pomiary dla takich samych czasów (np. t = 240 s) i użyj do obliczeń średniej wartości zgromadzonego wodoru.

(14)

1. Wyznacz wydajność Faradaya dla elektrolizera.

2. Wyznacz wydajność energetyczną dla elektrolizera.

Obliczenia wydajności Faradaya dla elektrolizera:

Wydajność Faradaya _F jest to stosunek pomiędzy eksperymentalnie wyznaczoną ilością wodoru a ilością wodoru teoretycznie oczekiwaną:

F = (VH2 eksperymentalna) / (VH2 teoretyczna)

Wydajność Faradaya dla elektrolizera powinna być bliska 1 (100 %).

Korzystając z II prawa Faradaya możemy wyliczyć teoretycznie spodziewanej ilości wodoru przy założeniu, że prąd elektrolizy wynosi 800 mA dla czasu 240 s.

Obliczenia wydajności energetycznej dla elektrolizera

Wydajność energetyczna elektrolizera E jest to stosunek pomiędzy ilością energii generowanego wodoru a ilością zużytej energii elektrycznej.

_E = Energia wodoru / Energia elektryczna

E = (H0 H2

.VH2 eksperymentalna) / (U ^. I ^. t)

Wartość kaloryczna H jest ilością ciepła uwolnioną podczas spalania określonej ilości gazu (np. 1 m3). Wartość kaloryczna brutto H0 jest podawana jeśli woda otrzymana w wyniku spalania znajduje się formie ciekłej. Wartość kaloryczna brutto wodoru H0H2 w temperaturze 20^OC wynosi 11,920 kJ/m^-3.

(15)

VI. Charakterystyki ogniw paliwowych połączonych równolegle i szeregowo

Woltomierz Woda destylowana Elektrolizer 2 długie wężyki

2 krótkie wężyki 2 zaciski do wężyki Stoper Ogniwo paliwowe Moduł obciążenia

Część 1: Połączenie równoległe ogniw paliwowych

2. Pomiary

(16)

Czyszczenie

1. Sprawdź, czy wężyki na gaz pomiędzy elektrolizerem i ogniwem paliwowym są podłączone poprawnie. Ustaw pokrętło na module obciążenia na „OPEN”.

2. Upewnij się, że oba pojemniki do przechowywania gazu wypełnione są wodą destylowaną do poziomu 0 ml. Użyj oświetlonego modułu solarnego w celu dostarczenia stałego prądu do elektrolizera (pomiędzy 700 a 900 mA). Moduł solarny powinien być ustawiony do źródła światła w taki sposób, aby można było obserwować produkcję gazu.

3. Oczyść cały system (elektrolizer, ogniwo paliwowe, wężyki) powstałym gazem przez 5 minut. Następnie ustaw pokrętło na module obciążenia na 2 Ω na 3 minuty. Amperomierz powinien wtedy wskazywać natężenie prądu około 400 mA, a woltomierz powinien

wskazywać napięcie około 0,75 V. Teraz ustaw pokrętło z powrotem na pozycję „OPEN”.

Użyj zacisków aby zamknąć dwa wężyki u wylotu gazu w ogniwie paliwowym. (Rys.6.2).

Rys.6.2. Schemat podłączenia zacisków

5. Rozłącz połączenie pomiędzy modułem solarnym a elektrolizerem jeśli wskaźnik ilości wodoru w elektrolizerze osiągnął 60 ml.

6. Przystąp do pomiaru charakterystyki ogniwa paliwowego dokonując zmian wartości rezystancji (pokrętło na module obciążenia). Zacznij od pozycji „OPEN” (obwód otwarty), następnie stopniowo zmniejszaj opór poruszając pokrętłem w prawą stronę. Przed zapisaniem wyniku pomiaru za każdym razem poczekaj 30 sekund. Wprowadź dane do tabeli wyników pomiarów. Dokonaj również pomiarów dla wariantu z lampą w module obciążenia.

7. Po zakończeniu wykonywania pomiarów, ustaw pokrętło na module obciążenia na pozycję

„OPEN” oraz usuń zaciski z wężyków ogniwa paliwowego.

(17)

Część 2: Połączenie szeregowe ogniw paliwowych.

2. Pomiary

Rys.6.3. Schemat układu pomiarowego w połączeniu szeregowym ogniw paliwowych

2. Przystąp do pomiaru charakterystyki ogniwa paliwowego dokonując zmian wartości rezystancji (pokrętło na module obciążenia). Zacznij od pozycji „OPEN” (obwód otwarty), następnie stopniowo zmniejszaj opór poruszając pokrętłem w prawą stronę. Przed zapisaniem wyniku pomiaru za każdym razem poczekaj 30 sekund. Wprowadź dane do tabeli wyników pomiarów. Dokonaj również pomiarów dla wariantu z lampą w module obciążenia.

3. Po zakończeniu wykonywania pomiarów, ustaw pokrętło na module obciążenia na pozycję

„OPEN” oraz usuń zaciski z wężyków ogniwa paliwowego

(18)

3. Analiza wyników

1. Wykreśl charakterystykę UI dla ogniw paliwowych połączonych równolegle.

2. Zinterpretuj tę charakterystykę.

3. Nanieś na charakterystykę napięcie i natężenie prądu lampy.

4. Wykreśl charakterystyki dla ogniw paliwowych połączonych szeregowo i równolegle i porównaj je.

5. Narysuj wykresy P=f(I) dla ogniw paliwowych połączonych szeregowo i równolegle.

Oblicz moc zużytą przez lampę i nanieś tą wartość na wykresy.

(19)

VII. Wydajność Faradaya i wydajność energetyczna ogniwa paliwowego

1. Zestaw przyrządów

2. Pomiary

(20)

3. Oczyść cały system (elektrolizer, ogniwo paliwowe, wężyki) powstałym gazem przez 5 minut. Następnie ustaw pokrętło na module obciążenia na 2 Ω na 3 minuty.

Amperomierz powinien wtedy wskazywać natężenie prądu około 400 mA, a woltomierz powinien wskazywać napięcie około 0,75 V. Teraz ustaw pokrętło z powrotem na pozycję „OPEN”.

Rys.7.2. Schemat połączeń zacisków na wężyki

4. Użyj zacisków aby zamknąć dwa wężyki u wylotu gazu w ogniwie paliwowym.

(Rys.7.2).

6. W związku z tym, że w systemie używane są wężyki oraz uszczelki i może pojawić się wyciek, dlatego najpierw należy wykonać pomiar próbny wyznaczający stratność.

Zmierz straty wodoru z pojemnika na wodór bez włączania modułu obciążenia (pozycja

„OPEN) przez okres 3 minut i określ wielkość wycieku w ml na sekundę.

7. Ponownie podłącz elektrolizer do modułu solarnego oraz napełnij pojemniki na wodór do wysokości 60 ml. Następnie ponownie rozłącz połączenie między źródłem prądu a elektrolizerem.

(21)

8. Ustaw rezystancję na 0,3 Ω. Zanotuj ilość wodoru zużytego przez ogniwo paliwowe w ciągu 180 sekund. Zmierz też i zanotuj wartość napięcia i natężenia prądu w ogniwie paliwowym. Po 180 sekundach przekręć pokrętło na pozycję „OPEN”.

9. Powtórz krok 7 i 8 dwukrotnie i skalkuluj średnie wartości wodoru zużytego przez ogniwo paliwowe. Po wykonaniu pomiarów, ponownie obróć pokrętło na pozycję „OPEN” i usuń wężyków z rurek przytwierdzonych do ogniwa paliwowego.

1. Oblicz odpowiednie objętości wodoru.

2. Określ wydajność Faradaya dla ogniwa paliwowego.

3. Określ wydajność energetyczną ogniwa paliwowego.

(22)

VIII. Prawo Faradaya dla ogniwa paliwowego

2. Pomiary

(23)

3. Oczyść cały system (elektrolizer, ogniwo paliwowe, wężyki) powstałym gazem przez 5 minut. Następnie ustaw pokrętło na module obciążenia na 2 Ω na 3 minuty. Amperomierz powinien wtedy wskazywać natężenie prądu około 400 mA, a woltomierz powinien wskazywać napięcie około 0,75 V. Teraz ustaw pokrętło z powrotem na pozycję „OPEN”.

Rys.8.2 Schemat układu pomiarowego- Przechowywanie gazów i pomiary 1-go Prawa Faradaya dla ogniwa paliwowego

4. Użyj zacisków aby zamknąć dwa wężyki u wylotu gazu w ogniwie paliwowym. (Zobacz rys. Rys.8.2).

(24)

6. W związku z tym, że w systemie używane są wężyki oraz uszczelki i może pojawić się wyciek, dlatego najpierw należy wykonać pomiar próbny wyznaczający stratność. Zmierz straty wodoru z pojemnika na wodór bez włączania modułu obciążenia (pozycja „OPEN) przez okres 3 minut i określ wielkość wycieku w ml na sekundę.

7. Ponownie podłącz elektrolizer do modułu solarnego oraz napełnij pojemniki na wodór do wysokości 60 ml. Następnie ponownie rozłącz połączenie między źródłem prądu a elektrolizerem.

8. Aby wyznaczyć pierwszą część prawa Faradaya ustaw rezystancję o wartości 0.5 Ω. Zapisz ilość wodoru zużytego przez ogniwo paliwowe w ciągu różnych czasów (od 60 do 240 s w odstępie co 60 s) [Tablica wyników pomiarów nr 1]. Zmierz również natężenie prądu w ogniwie paliwowym i zapisz wyniki. Następnie przesuń pokrętło na pozycję „OPEN”.

9. Ponownie podłącz elektrolizer do modułu solarnego oraz napełnij pojemniki na wodór do poziomu 60ml. Następnie ponownie przerwij połączenie między źródłem prądu a elektrolizerem.

10. Aby wyznaczyć drugą część prawa Faradaya, kolejno ustaw różne poziomy natężenia prądu poprzez wybór różnych wartości rezystancji - 3, (2), 1, (0,5) i 0,3 Ω na module obciążenia. Czas pomiaru powinien wynosić 180 s.

11. Po wykonaniu wszystkich pomiarów, przesuń pokrętło na pozycję „OPEN” i usuń zaciski z wężyków na ogniwie paliwowym.

12. Skoryguj wyniki pomiarów uwzględniając współczynnik wycieku.

13. Pomiary zapisz w tabeli

(25)

1. Na podstawie danych z tabeli wyników pomiarów [1] i [2] wykreśl wykresy V=f(t) i V=f(I).

2. 2. Zbadaj relację pomiędzy ilością uwolnionego wodoru a ładunkiem (1 prawo Faradaya).

(26)

XI. Woda = 2 cząsteczki wodoru + 1 cząsteczka tlenu IX. Prawo Faradaya dla ogniwa paliwowego

4. Pomiary

Rys.9.1 Schemat układu pomiarowego –czyszczenie

(27)

1. Sprawdź czy wężyki na gaz pomiędzy elektrolizerem i ogniwem paliwowym s. podłączone poprawnie. Ustaw pokrętło na module obciążenia na „OPEN”.

3. Upewnij si., .e oba pojemniki do przechowywania gazu wypełnione są wodą destylowaną.

do poziomu 0 ml. Użyj oświetlonego modułu solarnego w celu dostarczenia stałego prądu do elektrolizera (pomiędzy 700 a 900 mA). Moduł. solarny powinien by ustawiony do źródła światła w taki sposób, aby można było obserwować. produkcję

4. Oczyść cały system (elektrolizer, ogniwo paliwowe, wężyki) powstałym gazem przez 5 minut. Następnie ustaw pokrętło na module obciążenia na 2 Ω na 3 minuty. Amperomierz powinien wtedy wskazywać. natężenie prądu około 400 mA, a woltomierz powinien wskazywać. napięcie około 0,75 V. Teraz ustaw pokrętło z powrotem na pozycję „OPEN”.

5. Użyj zacisków aby zamknąć dwa wężyki u wylotu gazu w ogniwie paliwowym. (Zobacz rys. 9.2).

6. Rozłącz połączenie pomiędzy modułem solarnym a elektrolizerem jeśli wskaźnik ilości wodoru w elektrolizerze osiągnął 60 ml. Zmierz też ilość wygenerowanego tlenu w tym samym czasie.

7. Ustaw na module obciążenia rezystancję o wartości 5 Ω. Powinien płynąć prąd, a ogniwo paliwowe powinno zużywać wodór z pojemnika.

8. Przerwij połączenie elektryczne ustawiając pokrętło na pozycję „OPEN” jeśli wodór w pojemniku osiągnie poziom 0 ml. Ogniwo paliwowe właśnie zużyło cały wodór w pojemniku (60ml). Zmierz też ilość zużytego tlenu.

9. Usuń zaciski z wężyków przy ogniwie paliwowym.

10. Wyniki pomiarów zapisz w tabeli

(28)

1. Zmierz odpowiednie objętości gazów .

2. Wyznacz objętości gazu uwolnione podczas elektrolizy.

3. Wyznacz objętości gazów zużytych przez ogniwo paliwowe.