Delovanje soncnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice

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: [email protected]

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



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.



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



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.



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.



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.



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)







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).


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


SVETLOBA

V

EL. R

EA

KT

OR




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).


4.3.1. 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.



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.


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



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.



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.





Opomba: Za izračun energijskega izkoristka elektrolitskega reaktorja

moramo vzeti zgornjo kurilno vrednost vodika, za izračun energijskega

izkoristka gorivne celice pa spodnjo kurilno vrednost vodika.



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).




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


GORIVNA CELICA V


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.



Slika 13: Merilna veriga za izvedbo tretjega 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.



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.


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



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



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.

Documents

Delovanje soncnega modula, elektrolitskega reaktorja in polimerne gorivne celice