Relazione sulle Fuel Cells Robin%Dallimore%Mallaby% %Giuseppina%De%Bona% %Andrea%De%Nigris% %Fabio%Fabbris% Aldo %Tommaso%Grimaldi

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1 Crs%di%Labratri%di%Energetica,%Ann%accademic%2012/13 Relazine sulle Fuel Cells Rbin%Dallimre%Mallaby% %Giuseppina%De%Bna% %Andrea%De%Nigris% %Fabi%Fabbris% Ald %Tmmas%Grimaldi Intrduzine Scp dell esperiment è verificare ed analizzare il funzinament dirett e invers di una cella a cmbustibile funzinante cn idrgen e ssigen prdtte per elettrlisi dell acqua distillata mediante un pannell ftvltaic. 1. Preparazine dell esperiment 1.1 Strutture e dispnibilità L esperienza didattica viene effettuata press l edifici labratri didattici Marzi Falc. L intera struttura spita diversi labratri, nel nstr cas abbiam usufruit dell aula dedicata alle esperienze di fisica tecnica, situata al prim pian. 1.2 Installazine Mdell Per effettuare la prva è stat predispst un circuit cmpst da: un pannell ftvltaic, che è stat mntat su un supprt mbile in grad di rutare attrn a un pern, per variare l incidenza della luce; una lampada che simuli i raggi slari; due cilindri graduati che cntengan l acqua distillata e successivamente anche l idrgen e l ssigen; un vltmetr e un ampermetr, che ci cnsentn di rilevare le misure delle grandezze elettriche in gic; una ventla, azinabile elettricamente, e un LED, che funzinan cme carichi fissi; un ptenzimetr, utilizzat cme caric reglabile tra 0,3 e 100 Ω; tre fuel cell di tip PEM, di cui una più grande, cllegata ai cilindri cntenenti l acqua, atta a effettuare l elettrlisi, mentre le altre due, cllegate tra lr in parallel, funzinanti cme generatri; un crnmetr, utilizzat per scandire i tempi di misurazine. Le celle che prducn energia sn più piccle per cercare di riuscire a mantenere una prduzine dei 2 gas maggire del lr cnsum nel cas di funzinament cntemprane della parte di prduzine e di quella di cnsum. Il tutt è mntat su un pannell verticale, che cntiene i vari elementi e tutti i fri per i cllegamenti elettrici, che vengn effettuati mediante cavi che terminan cn le csiddette bananine. I cllegamenti per i fluidi sn invece perati tramite tubicini in plastica. La rappresentazine di un mdell viene riprtata in figura alla pagina seguente.

2 2. Acquisizine dei dati Preparazine della prcedura sperimentale La prva cnsiste tre parti, vver l analisi della prduzine di crrente elettrica mediante il pannell ftvltaic, l utilizz della crrente prdtta nel prcess di elettrlisi mediante la prima fuel cell e infine l utilizz dei gas prdtti per alimentare le due celle in parallel per la prduzine di crrente elettrica. Prima parte: analisi della caratteristica del pannell Nell esperiment utilizzerem il pannell cme fnte energetica, quindi vgliam determinare il su funzinament caratteristic. Per prvarl inizialmente l clleghiam alla resistenza più bassa del ptenzimetr. Si può ntare che il pannell ha bisgn di ricevere un quantitativ minim di luce per iniziare a prdurre crrente (energia di attivazine). Per vedere quanta ptenza tteng clleg la cella a vltmetr e ampermetr, che mi darann tensine e crrente ergata. Inltre a secnda di quant varia l intensità luminsa la curva della ptenza si spsta. Variand invece la resistenza del ptenzimetr riusciam a disegnare l andament della ptenza in base al caric, che per caratteristica intrinseca dei pannelli avrà una frma a campana, presentand quindi un massim. È in quest punt che nella pratica cmune si cerca di mantenersi piché la massima ptenza implica anche il massim rendiment. Generalmente nei pannelli cmmerciali esiste un dispsitiv che ha il cmpit di reglare il caric cercand di rimanere attrn alla massima ptenza. Prcediam quindi alla misura. Utilizziam una luce che illumina il pannell perpendiclarmente alla sua superficie, e variam il caric partend dal massim e scendend fin a 0,3 hm; ad gni pass, una vlta arrivati a regime, rileviam le misure di resistenza, tensine e crrente. Fatt ciò rutiam il pannell, in md da variare l incidenza della luce sul pannell, causand una diminuzine cmplessiva della ptenza prdtta, e ripetiam le misure. Secnda parte: prduzine di idrgen e ssigen Per pter alimentare le celle destinate alla prduzine di energia elettrica abbiam bisgn di idrgen e ssigen. Dunque ra clleghiam effettivamente il pannell alla cella elettrlitica, di md che pssa avvenire la reazine di elettrlisi. L acqua distillata cntenuta nei cilindri è a cntatt cn la cella, che quindi risulta impregnata. Innanzitutt, piché il circuit è cllegat direttamente alle celle utilizzatrici, tappiam i tubi di cllegament cn delle strzzature. Dpdiché psiziniam su ciascun cilindr un tapp che è dtat di un cndtt che permetta la risalita dell acqua in un cilindr secndari grazie alla pressine generata dalla frmazine dei gas, i quali andrann invece ad accumularsi nella parte alta del cilindr principale. Per prdurre i gas utilizziam una tensine e crrente fissate, che misuriam mediante vltmetr e ampermetr. Dp aver attes la prduzine a regime, misuriam gni 30 secndi il vlume di gas prdtti (in ml). Quest ci permetterà in seguit di calclare la prtata prdtta di gas. Una vlta ttenuta una quantità sufficiente di prdtti pssiam prseguire cn l ultima fase. Terza parte: prduzine di crrente mediante le fuel cell A quest punt pssiam andare a valutare separatamente il circuit di prduzine di energia elettrica mediante il cnsum degli elementi precedentemente ttenuti. Per prima csa andiam a tappare le uscite della cella per fare in md che idrgen e ssigen vengan cnsumati quasi cmpletamente e nn escan liberamente in aria; inizialmente però vann lasciati i tappi aperti per far sì che i gas pssan ripulire i cndtti dall aria e permettere l avvi del prcess. Quindi

3 far sì che i gas pssan ripulire i cndtti dall aria e permettere l avvi del prcess. Quindi apriam le due strzzature per cnsentire ai gas di andare a lambire le pareti delle celle. Verifichiam il crrett funzinament del circuit utilizzand cme caric di prva la ventla. Per rilevare le misure elettriche necessarie clleghiam, tra la cella e il caric, vltmetr e ampermetr, rispettivamente in parallel e in serie al caric. Cme prima csa quindi effettuiam una serie di misure di tensine e crrente al variare della resistenza del ptenzimetr, prestand attenzine al livell di idrgen e ssigen: nel cas sia in esauriment, è necessari far ripartire il prcess di elettrlisi, cntempraneamente alla generazine di crrente ppure, preferibilmente, scllegand il caric. Infine passiam alla rilevazine del cnsum dei cmbustibili; per fare ciò scegliam una resistenza cstante, di md che la ptenza richiesta sia cstante e quindi l andament lineare. Nel nstr cas abbiam scelt una resistenza di 20 Ω, e abbiam rilevat nuvamente tensine e crrente, per avere un riferiment di ptenza sviluppata. Quindi l ultim pass cnsiste nel misuriam gni 30 secndi il vlume di gas cnsumati (in ml). 3. Riduzine dei dati 3.1 Analisi statistica In quest cas le rilevazini sn state effettuate un unica vlta, e nn ripetute. Nn verrà dunque utilizzata un analisi statistica dei dati in quant priva di significat. 3.2 Equazine di riduzine dei dati Per l elabrazine dei dati prcederem pass-pass nelle 3 parti precedentemente descritte; una frmula cmune a tutta la trattazine sarà quella della ptenza : P = V I Caratteristica del pannell I dati ricavati dalla prva vengn riprtati nelle due seguenti tabelle, in cui è già stata calclata anche la ptenza prdtta; nella prima abbiam irradiat il pannell cn incidenza perpendiclare, mentre nella secnda il pannell è stat rutat per ttenere una minre incidenza. Abbiam quindi visualizzat su un grafic i due principali parametri elettrici, tensine e crrente.

4 Cme si può ntare, diminuend la quantità di energia luminsa frnita, la curva si spsta vers il bass. Quest piché l area sttesa rappresenta il prdtt V I, vver la ptenza sviluppata. Dal mment che quest ultima varia a secnda della resistenza cllegata, per megli cmprenderne l andament è stat tracciat un secnd grafic in funzine di R. Risulta più facile ra ntare che, cme precedentemente dett, la caratteristica del pannell presenta un massim che rappresenta anche la massima efficienza del pannell. Nel nstr cas si presenta per un valre di 3 Ω e 1,065 W Prduzine di prduzine di idrgen e ssigen Per la prduzine dei due gas sn stati ricavati i seguenti dati: Sn state effettuate due prve a diversa ptenza ergata dal pannell, ttenuta variand l incidenza della luce, per verificare il legame ptenza prtata. Il temp 0 e il temp 150 secndi sn usati cme riferimenti relativi alla fine del transitri, mment in cui abbiam iniziat a effettuare le misure; riprtand tutt in un grafic, tteniam il seguente andament:

5 L andament risulta pressché lineare, e si verifica anche che il vlume di idrgen prdtt risulta dppi rispett a quell di ssigen; ciò è cncrde cn il mdell teric della reazine di elettrlisi: Piché pssiam cnsiderare la prduzine cme lineare, la prtata espressa in [ml/s], che può essere vista cme la derivata del vlume rispett al temp, sarà data semplicemente dal cefficiente anglare della retta che megli apprssima i nstri dati. Dai calcli effettuati tteniam i 2 valri cercati: Ptenza([W] H2([ml] O2([ml] 1,2264 0,1 0, , ,05 0, Calcliam ra l efficienza di prduzine dei gas; per farl utilizzerem la frmula dell efficienza di Faraday: Il l si calcla mediante l espressine: dve: I è la crrente utilizzata nella prduzine

6 I è la crrente utilizzata nella prduzine t è l intervall di temp cnsiderat è il vlume ccupat da una mle in cndizini standard ( e ), che risulta pari a 22,414 [litri/mle] z è il numer di elettrni cinvlti nella reazine, nel nstr cas 2 F è la carica di una mle di elettrni, che vale [C/ml] Prduzine di crrente mediante le fuel cell Nella prduzine di crrente abbiam effettuat una prva variand la resistenza del caric ttenend i seguenti valri: Quindi abbiam tracciat il grafic che rappresenta l andament di V in funzine di I Si può ntare cme l andament della curva si pssa distinguere in 3 zne distinte: la prima, in cui la tensine crlla rapidamente dal valre teric di crt circuit di 1,23 V a causa delle perdite dvute alla necessità di superare l energia di attivazine necessaria per far avvenire le reazini; la secnda in cui la decrescita è più lenta e quasi lineare, per le perdite generate ralla resistenza interna; l ultima in cui si presenta il prblema della diffusine che fa crllare verticalmente il valre di tensine. Valutiam ra il cmprtament della ptenza al variare del caric mediante un grafic nel quale le ascisse, che rappresentan la resistenza, sn in scala lgaritmica per megli rappresentare i passi tra i valri:

7 Cme si può rilevare, la ptenza ha un massim nella zna intrn ai bassi carichi, in particlare nel nstr cas per il valre di 1 Ω. È pssibile cnstatare, ricercand quest punt nel grafic precedente, che ess si trva nella zna centrale, quella cn andament quasi lineare, ma appena prima del crll dvut alla diffusine; quest infatti è il valre di ttim che generalmente viene inseguit cn varie strategie, per esempi mediante un cntrll autmatizzat del caric applicat, prpri perché risulta il miglir cmprmess tra la ptenza ergata e la stabilità della cella. Per quant riguarda i cnsumi invece, abbiam ricavat i seguenti dati sperimentali: Cme nella parte precedente, l andament quasi lineare della retta ci cnsente di determinare la prtata, che in quest cas rappresenta il cnsum dei due reagenti, cme cefficiente anglare della retta di best-fit; ess risulta negativ, cerentemente cl fatt che rappresenta un cnsum. Prviam dunque a calclare l efficienza di utilizz degli elementi: utilizzerem il calcl del cme espst spra, utilizzand cme valre di temp il nstr riferiment di t=30 s e la crrente misurata I=0,336 A. Otteniam quindi:

8 Cme cnsidererem il medi che risulta di 1,4 ml gni 30 s. I valri delle efficienze sn riprtati in seguit: ç(f(= 0, ç(e(= 0,06678 NB: I calcli vengn riprtati nel fgli di calcl Excel 4. Analisi incertezze In quest cas nn è stat pssibile prendere più valri di una stessa misura, di cnseguenza nn è stat pssibile adperare un analisi statistica per l elabrazine dei dati e di cnseguenza nn avrem devi valri riguardanti le incertezze delle diverse misure. 5. Cnsiderazini finali In seguit alle misure effettuate abbiam sservat che ad un aument della crrente dvut ad una diminuzine della resistenza del circuit vi è un maggire cnsum di energia e di cnseguenza nel cas della cella a cmbustibile un maggire cnsum di idrgen. Inltre sserviam che cn l ssidazine dell idrgen si dell acqua che depsitandsi sulla cella impedisce alla nuva fnte di idrgen di ssidarsi riducend il rendiment della cella stessa, man man che i reagenti si cnsuman quand questi vengn a mancare la ptenza generata cala drasticamente fin a raggiungere il valre null. Per quant riguarda il pannell ftvltaic invece è stat sservat cme l incidenza della fnte di energia su di ess influenza l energia che quest è in grad di frnire. Il cntrll del funzinament di tutti i cmpnenti tramite il mini-ventilatre è risultat psitiv, pertant la prva e i dati analizzati sn da cnsiderarsi validi.