(H1) Vodíkový palivový článek.

Studijní text

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.

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.

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. 

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.

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)?