Badanie elektrowni z ogniwem paliwowym PEM
advertisement
POLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Elektryczny Instytut Elektroenergetyki Zakład Elektrowni i Gospodarki Elektroenergetycznej INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA „Badanie elektrowni z ogniwem paliwowym PEM” I. Wstęp Ćwiczenie polega na badaniu układu wytwórczego składającego się ogniwa paliwowego i baterii chemicznej. Systemy takie nie odgrywają znaczącej roli w systemie elektroenergetycznym, jednak są powszechnie uŜywane do zasilania systemów wydzielonych stało- lub przemienno-prądowych. Tego typu zespoły wytwórcze są równieŜ uŜywane jako układy zwane battery backup – czyli układy zasilania rezerwowego wykorzystujące źródło odnawialne. II. Opis teoretyczny Energie produkowana przez badaną w ćwiczeniu elektrownię wytworzona zostaje w procesie elektrochemicznej konwersji zachodzącej w ogniwie paliwowym. Elektryczność wyprodukowana jest z paliwa podanego na anodę i utleniacza wprowadzanego na stronę katody. Reakcja między nimi zachodzi w obecności elektrolitu. Podstawowym rodzajem ogniw są te wodorowo-tlenowe z membraną do wymiany protonów (elektrolit polimerowy), takie teŜ wykorzystane zostały w ćwiczeniu. Cienka warstwa polimeru przewodzącego protony rozdziela anodę i katodę. Zwykle elektrody mają postać nawęglonego papieru pokrytego platyną w charakterze katalizatora reakcji. Gazowy wodór wprowadzany jest w obszar porowatej anody, gdzie w wyniku oddziaływania wodoru z materiałem katody zachodzi dysocjacja w wyniku czego powstają jony protonowe H+ oraz elektrony e. Elektrony przyciągane przez anodę pozostają w niej jony wodorowe dyfundują: Półprzepuszczalna membrana jest przewodnikiem tylko dla protonów, nie przepuszcza innych jonów szczególnie jonów tlenu od katody do anody. Elektrony muszą dotrzeć do katody poprzez obwód elektryczny, wytwarzając prąd pozwalający na zasilanie urządzeń. Na katodzie tlen reaguje z elektronami tworząc jony O2-: jony wodorowe H+ są zobojętniane zjonizowanym tlenem: Końcowy produktu to H2O czyli woda w postaci pary lub ciekłej. Schemat pojedynczego ogniwa jest pokazany na rysunku nr 1: Rys. 1. Schemat ogniwa paliwowego typu PEM Typowe parametry pojedynczego ogniwa typu PEM: Elektrolit: spolimeryzowany fluorkowany kwas sulfonowy w postaci membrany pokrytej porowatą platyną Temperatura pracy: 50° – 100° C Sprawność: od 25% do ponad 50% Napięcie pojedynczego ogniwa 0,6 V W celu uzyskania wymaganego napięcia wyjściowego ogniwa łączy się szeregowo. Zalety ogniwa PEM: - Elektrolit w postaci stałej membrany redukuje korozję i problemy związane z obsługą elektrolitu - niska temperatura pracy - szybki start - brak emisji zanieczyszczeń i hałasu - jakość wyprodukowanej energii Wady to: - duŜy koszt w porównaniu do innych technologii - konieczność zachowania środków bezpieczeństwa ze względu na łatwopalność wodoru Istnieją odmiany ogniw paliwowych, w których źródłem energii nie jest wodór w postaci gazowej. Gaz ten jest produkowany w ogniwie na skutek spalania związków chemicznych bogatych w wodór, jak metan czy metanol. Wodór zgromadzony w postaci związanej jest łatwiejszy do transportu – zajmuje mniejszą objętość i nie musi być skraplany w tak niskiej temperaturze. Jednak sprawność takich ogniw jest mniejsza i często oprócz pary wodnej produkują one dwutlenek węgla. Niemniej są i tak czystsze oraz bardziej wydajne od tradycyjnych silników spalinowych. W odróŜnieniu od baterii i akumulatorów, ogniwa paliwowe nie gromadzą wewnątrz energii. Bez dostarczania paliwa proces produkcji prądu się zatrzymuje. Są jednak urządzenia, w których łączy się baterie słoneczne produkujące wodór przez elektrolizę z ogniwem paliwowym. W takim układzie wodór jest produkowany w ciągu dnia z energii słonecznej, a w nocy ulega spaleniu w ogniwie. Sprawność takiego procesu (prąd → wodór → prąd) jest rzędu od 30 do 40%. Podobne rozwiązanie moŜe zostać zastosowane w elektrowni wiatrowej. Kiedy wieje silny wiatru nadmiar energii magazynowany jak w postaci wodoru. Kiedy wiatr cichnie niedobór prądu pokrywa produkcja energii w ogniwie paliwowym. Spekuluje się na temat moŜliwości budowy systemu rurociągów transportujących zmagazynowaną w wodorze energię do jej odbiorców. III. Konstrukcja stanowiska laboratoryjnego Podstawowymi elementami badanej elektrowni są: - układ wytwórczy energii elektrycznej w postaci dwóch ogniw paliwowych typu PEM po 1200W mocy kaŜdy - układ zasilania potrzeb własnych składający się z czterech 12to woltowych ogniwa kwasowo-ołowiowe oraz przetwornika energoelektronicznego - wyjściowego przetwornika energoelektronicznego DC/DC - zbiornika z paliwem w postaci wodoru IV. Przebieg ćwiczenia A V PEMFC A DC V V DC Lp. Uwyj [V] Iwyj [A] UOdb [V] IOdb [A] ηDC/DC [%] 1 2 3 … … II. Sprawozdanie 1. Na podstawie otrzymanych wyników obliczyć: • sprawność przetwornicy, • moc ogniwa paliwowego, przetwornicy DC/DC 2. Narysować charakterystyki Uwyj=f(Iwyj); ηDC/DC=f(IwyjDC/DC) 3. Podsumowanie ćwiczenia i wnioski
