Laboratorium Fizyki II 

ĆW. 13: MODEL ENERGETYKI WODOROWEJ OPARTY NA OGNIWIE PALIWOWYM 

Marek Wakulak 

WIP MD-A0-21 

23.04.13  

 

1.  Wstęp 

Celem dwiczenia jest zbadanie procesu wytwarzania paliwa wodorowego przy pomocy elektrolizera 
oraz zbadanie procesu elektrochemicznego spalania paliw w ogniwie paliwowym. 

W skład układu pomiarowego wchodzą następujące elementy: 



 

elektrolizer typu PEM z elektrolitem polimerowym 



 

zbiornik  do  magazynowania  wodoru  i  zbiornik  do  magazynowania  tlenu,  połączone  z 
elektrolizerem 



 

ogniwo paliwowe z elektrolitem polimerowym przewodzącym protonowo 



 

obciążenie o regulowanej wartości oporu 



 

zestaw przewodów połączeniowych i mierników (amperomierz i woltomierz) 



 

cyfrowy miernik natężenia światła 

 

2.  Badanie procesu wytwarzania paliwa wodorowego przy pomocy elektrolizera 

Zasilaniem  układu  było  niezależne  regulowane  źródło  napięciowe.  Układ  został  podłączony  według 
schematu pokazanego poniżej. 

 

Napięcie zostało zwiększane w zakresie od 0.2 do 1.2 V co 0.2 V, a następnie w zakresie od 1.3 do 2.2 
V co 1 V. Po ustawieniu każdej wielkości napięcia na zasilaczu odczekano 2 minuty do ustabilizowania 
się stanu układu. W ten sposób utworzono charakterystykę prądowo-napięciową elektrolizera. Składa 
się  ona  z  dwóch  części  –  łagodnie  nachylonej  (dla  małych  wartości  napięcia)  oraz  części  o  dużym 
nachyleniu (dla napięd wyższych niż progowe). 

 

Miejsce  przecięcia  osi  X  z  prostą  przechodzącą  przez  punkty  leżące  w  części  o  dużym  nachyleniu, 
nazywamy napięciem progowym. Napięcie progowe wynosiło U = 1350 mV. 

Kolejną  częścią  dwiczenia  było  ustawienie  napięcia  powyżej  progowego  o  co  najmniej  0.2  V,  a 
następnie  zaobserwowano  przyrost  gazu w  zbiornikach  w  konkretnym  czasie.  Obliczono  sprawnośd 
ogniwa według poniższego wzoru: 

 

Wyliczona wartośd η wynosi η = 0.717. 

Podstawione dane: 



 

I = 0.448 A 



 

U = 2.186 V 



 

t = 23 min = 1380 s 



 

H = 12.75 MJ 



 

V = 76 cm

3

 

 

3.  Badanie procesu elektrochemicznego spalania paliwa w ogniwie paliwowym 

Do  pomiaru  charakterystyki  ogniwa  paliwowego  użyto  układu  zbudowanego  według  schematu 
przedstawionego poniżej. 

 

Na  początku  badania  dokonany  został  pomiar  napięcia  na  zaciskach  ogniwa  otwartego.  Następnie 
uchylono  zawory  doprowadzające  wodór  oraz  tlen  do  ogniwa  paliwowego  i  wykonany  serię 
pomiarów  napięcia  i  natężenia  dla  różnych  wartości  oporu.  Na  podstawie  pomiarów  stworzono 
charakterystykę prądowo-napięciową ogniwa. 

 

Następnie obliczono wartośd mocy wytwarzanej przez ogniwo i wyznaczono wykres mocy ogniwa w 
funkcji napięcia. 

 

Oszacowano  opór,  dla  którego  moc  ogniwa  jest  maksymalna.  Ustalono  wartośd  oporu  R  =  3.5  Ω. 
Następnie  przy  wyłączonym  elektrolizerze  rozpoczęto  pomiar  poziomu  zużytego  wodoru.  Po 
dokonaniu  pomiarów  wyznaczona  została  sprawnośd  ogniwa.  Możemy  ja  wyznaczyd  za  pomocą 
następującego wzoru: 

 

Wyliczona wartośd η wynosi η = 0.095. 

Podstawione dane: 



 

I = 0.0551 A 



 

U = 0.2094 V 



 

t = 35 min = 2100 s 



 

H = 12.75 MJ 



 

V = 20 cm

3

 

 

4.  Wnioski 

Do optymalnego wykorzystania elektrolizera wymagane jest podanie napięcia wyższego niż progowe. 
Dodatkowo można zauważyd, że im większe napięcie podane na elektrolizer tym większy prąd, a co 
za tym idzie – zwiększona prędkośd wydzielania wodoru. 

Ogniwo  paliwowe  osiąga  najwyższą  moc  dla  pewnych  wielkości  oporu.  Za  duży  lub  za  mały  opór 
powoduje zmniejszenie mocy uzyskiwanej przez ogniwo. 

Z  otrzymanych  pomiarów  wynika,  że  sprawnośd  elektrolizera  jest  o  wiele  większa  niż  ogniwa 
paliwowego. 

Im  mniej  wodoru  pozostaje  w  zbiorniku  tym  wolniej  zachodzi  reakcja.  Produkowana  energia 
elektryczna  jest  mniejsza  dla  mniejszych  ilości  wodoru  w  zbiorniku.  Może  to  byd  spowodowane 
zalaniem ogniwa paliwowego, oporem elektrolitu oraz oporem wewnętrznym ogniwa.