Obsah

(H1) Vodíkový palivový článek.

Studijní text

Pracovní úkol 1

Sestavte malý laboratorní palivový článek pomocí komerčních katalytických GDE (0,3 mgPt cm-2), membrány Nafion NR212 a grafitových bipolárních desek.

Postup:

  1. Odřízněte dva kusy GDE 2×2 cm2 pomocí nože a pravítka.
  2. Odřízněte jeden kus membrány NR-212 7,5×4 cm2.
  3. Vytvořte otvory v membráně pro upínací tyče a průchod plynu.
  4. Odstraňte z membrány dvě ochranné fólie.
  5. Vezměte katodovou bipolární desku.
  6. Položte jeden kus GDE na bipolární desku (stranou uhlíkového papíru k průtokovému poli).
  7. Zakryjte membránou a zajistěte upevňovacími tyčemi.
  8. Umístěte druhý kus GDE (stranou uhlíkového papíru od membrány).
  9. Celý systém zakryjte anodovou bipolární deskou.

Pracovní úkol 2

Nastavte experimentální prostředí pro sestavený palivový článek, aktivujte palivový článek (break-in procedure), změřte proudovo-napěťové charakteristiky, prozkoumejte vliv zvlhčování na výkon palivového článku.

Postup:

  1. Upněte palivový článek pomocí pístu a nastavte upínací tlak 8 barů.
  2. Připojte potenciostat pomocí 4-sondového zapojení.
  3. Nastavte ohřev palivového článku a zvlhčovacích bubblérů (70 °C).
  4. Propláchněte dusíkem obě strany, jak anodu i katodu (5 minut při průtoku N2 100 sccm).
  5. Přepněte na H2 na anodové a na O2 na katodové straně (v tomto pořadí); nastavte průtoky 50 sccm; počkejte 10 minut.
  6. Nastavte napětí palivového článku; požadované napětí je v rozsahu 0,9-1V.
  7. Jakmile je napětí dosaženo a stabilizováno, změřte aktuální napěťovou odezvu palivového článku.
  8. Nastavte konstantní napěťovou zátěž 0,4 V po dobu 2 hodin a opakujte měření aktuální napěťové odezvy.

Pracovní úkol 3

Experiment lze provést pomocí edukačního setu FC, který simuluje reálný provoz palivových článků. U tohoto systému je použita architektura s otevřenou katodou. Zaměříme se na teplotu palivového článku. Nastavení teploty lze provést vyvážením zatížení palivového článku a výkonu ventilátoru.

Postup:

  1. Otevřete vodíkový ventil na tlakové láhvi (ujistěte se, že tlak je snížen na 0,5 baru).
  2. Nastavte dobu čištění na 0,5 s a periodu na 60 s.
  3. Nastavte výkon ventilátoru na 25%.
  4. Nastavte proud na elektronické zátěži na 20 A a zapněte jej.
  5. Regulujte teplotu FC - nastavením vyšších nebo nižších otáček ventilátoru (PWM Blower %) se pokuste FC stabilizovat na 40 oC.
  6. Zvyšte proud na zátěži o 5 A každých 15 minut a udržujte teplotu svazku FC okolo 40 oC.
  7. Při každém proudu sledujte a zaznamenávejte průměrné napětí svazku a výkon ventilátoru.
  8. Dosáhněte zatěžovacího proudu 40 A a udržujte jej při stabilní teplotě po dobu 20 minut.
  9. Zpomalte ventilátor, abyste dosáhli teploty 50 oC.
  10. Změřte průměrné napětí. 

Pracovní úkol 4

Experimenty s palivovým článkem umožňují odhadnout výkon palivového článku, a to jak v případě laboratorního článku, tak setu simulujícího reálný provoz FC. Tyto informace jsou důležité pro odhad výkonu palivových článků a také pro pochopení faktorů, které ovlivňují výkon palivových článků.

Postup:

  1. Načtěte experimentální data z počítače testovací stanice.
  2. Zkopírujte z log souboru data ve sloupcích napětí a proudová hustota.
  3. Vyneste graf napětí jako funkce proudu.
  4. Najděte hustotu výkonu pro každý proud (součin proudu a napětí) a vykreslete ji.
  5. Odhadněte Tafelův sklon pro kinetickou oblast.
  6. Vypočítejte ohmické ztráty z lineární části grafu.
  7. Odhadněte ztráty při přenosu hmoty jako rozdíl mezi očekávanou lineární závislostí proud-napětí a reálnými datovými body při proudových hustotách > 1,5 A cm-2.

Otázky

  1. Jakou polaritu („plus“ a „mínus“) mají elektrody palivových článků? Co definuje napětí nezatíženého článku?
  2. Které oblasti provozu na charakteristice proud-napětí FC lze nalézt?
  3. Vysvětlete vliv na zvlhčování provozu palivového článku, jaký má vliv na proudově-napěťové charakteristiky.
  4. Proč provoz FC při vysokých proudech vyžaduje vyšší výkon chlazení (při stejné teplotě)?