Studijní text

1. Seznamte se s edukačním setem elektrolyzéru vody s protonově vodivou membránou (PEM-WE). K dispozici budete mít také rozebranou celu, abyste si mohli prohlédnout její vnitřní stavbu, princip fungování a ujasnit si celkovou reakci (3) a jednotlivé půlreakce probíhající na anodě (OER (1)) a katodě (HER (2)).
2. Nastavte na PEM-WE operační teplotu 30°C. Pomocí odměrného válce ověřte, jestli zobrazovaný údaj generace H₂ v ml min^-1 odpovídá skutečnosti (t.j. zkontrolujte, že PEM-WE není částečně ve zkratu). Měření realizujte při čtyřech různých proudech. Do grafu vyneste Vámi změřené hodnoty, zobrazované hodnoty a Vámi vypočtené teoretické hodnoty.
3. Změřte čtyři IV křivky (závislosti napětí na proudové hustotě) PEM-WE při různých teplotách (30°C, 40°C, 50°C, 60°C). Vyneste je do společného grafu, kde na sekundární ose X (nahoře) bude správný tok vzniklého vodíku a na sekundární ose Y (vpravo) bude napěťová účinnost systému η_U.
4. Vypočtěte kolik gramů vodíku vyprodukuje systém v režimu konstantního proudu při 25 A za 10 minut při jednotlivých operačních teplotách (30°C, 40°C, 50°C, 60°C) a kolik chemické energie LHV je v něm uložené. Diskutujte, při které teplotě PEM-WE pracuje nejefektivněji. Ukažte, že účinnost η konverze elektrické energie (dopočtené z údajů na obrazovce PEM-WE) na chemickou energii LHV ve vodíku dobře odpovídá napěťové účinnosti η_U.
5. Vyrábějte vodík při proudu 25 A a 60 °C po dobu 10 minut a zachycujte ho do balónku. Pomocí kalorimetrického experimentu, při němž budete ohřívat známý objem vody, dokažte, že je vodík nejvýhřevnější palivo, t.j. má nejvyšší gravimetrickou hustotu energie.
6. Uvědomte si, že údaje na obrazovce řídícího panelu elektrolyzéru zobrazující napětí a proud jsou získané čtyřbodovou metodou, nezohledňují tedy napěťové a v důsledku toho i výkonnostní ztráty na kabelech. Pomocí měřiče spotřeby energie v síti určete, kolik energie by bylo potřeba na výrobu 1 kg H2 při 60 °C a proudu 25 A v případě následujícího realistického scénáře: Čerpací stanice napájená z obnovitelných zdrojů si prostřednictvím PEM-WE vyrábí H2 pro vodíkové automobily. PEM-WE je dostatečně velký, aby se sám svým chodem ohřál na operační teplotu 60 °C, kterou si pak reguluje intenzitou průtoku vody. Jeho voltampérová charakteristika je shodná s Vámi měřeným systémem, je však nutno uvažovat spotřebu vodní pumpy, řídícího rozhraní a výkonové ztráty na kabeláži.
7. Vyčíslete kolik by stálo dotankování vodíkového automobilu Hyundai Nexo na dojezd 100 km, jestliže na stlačení vodíku na požadovaných 700 bar se spotřebuje 3 kWh na kilogram H2. Energii na výrobu H2 uvažujte podle realistického scénáře z bodu 6. Porovnejte cenu dotankování na 100 km dojezd s modelem Tucson s konvenčním spalovacím motorem. Vyhodnoťte, jestli je již vodíková doprava cenově porovnatelná a perspektivní.