System diagnostyczny ogniw paliwowych

61ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2009 System diagnostyczny ogniw paliwowych Intrygujące jeszcze do niedawna do- niesienia prasowe o samochodach na wodę spowszedniały, bo dostarczające prądu do ich napędu ogniwa paliwowe, w których paliwem jest wodór czy metanol, wchodzą już do codziennej eksploatacji. Powstało wiele organizacji propagujących takie źró- dła, a wiele zespołów naukowych prowadzi nad nimi intensywne prace badawczo ? kon- strukcyjne. Wiele ?rm z dziedziny energe- tyki, przemysłu środków transportu (samo- chodowy, okrętowy) stosuje już w swoich wyrobach takie źródła, bądź ma je w planach wdrożeniowych. Uważa się, że ogniwa pa- liwowe są obiecującą alternatywą czystych źródeł energii, w przeciwieństwie do domi- nujących obecnie źródeł opartych o węgiel i ropę naftową. O tym, że jest to problematyka ważna i aktualna świadczą, między innymi oferty przyrządów do pomiaru parametrów elek- trycznych ogniw paliwowych, które trzeba wykonywać w celu określenia ich właściwo- ści eksploatacyjnych. Postanowiliśmy przyj- rzeć się profesjonalnym systemom pomiaro- wym do badania ogniw paliwowych japoń- skiej ?rmy KIKUSUI, która oferuje zarówno odpowiednie przyrządy z niezbędnymi ak- cesoriami jak i oprogramowanie pomiarowe i obliczeniowe. Ogniwa paliwowe Ogniwo paliwowe jest generatorem che- micznym energii elektrycznej i ciepła. Nie oddaje ładunku, który w nim zakumulowano podczas ładowania (jak akumulator, magazyn energii) czy ?wprowadzono? w procesie pro- System diagnostyczny ogniw paliwowych Ogniwa paliwowe ? czy jeszcze wizja futurystów, czy już powszedniość? Z pewnością to drugie. Wynalazek z XIX wieku doczekał się praktycznego zastosowania dopiero w latach 60-tych XX wieku, gdy były już możliwości technologiczne jego realizacji. Ogniwa paliwowe sprawdziły się w kosmosie na statkach Gemini, Apollo i stacji Skylab, dostarczając kosmonautom ciepła, prądu i wody pitnej. dukcyjnym (jak ogniwo elektrochemiczne, nazywane potocznie baterią), lecz na bieżą- co wytwarza prąd i wydziela ciepło wskutek reakcji elektrochemicznych między paliwem i tlenem, które to media muszą być do nie- go nieprzerwanie dostarczane. Czyli ogniwo podczas pracy jest ciągle zasilane przez pali- wo i tlen z powietrza. Każde ogniwo zawiera jakiś ?elektrolit? (jego rodzaj określa rodzaj ogniwa), mem- branę przepuszczającą jony zjonizowanego (kationy) paliwa, zazwyczaj wodoru, a za- trzymującą (nie przewodzącą) powstałe wskutek jonizacji elektrony. Membrana zin- tegrowana jest z porowatymi (aby uzyskać dużą powierzchnię) anodą i katodą. Zależnie od rodzaju ogniwa, czysty wodór (lub zawie- rające go związki węglowodorowe, z których powstaje po reakcji reformingu) jonizowany jest na anodzie pod wpływem katalizatora, a jego jony przenikają przez membranę do katody i tam reagują z tlenem, w wyniku cze- go powstaje woda i wytwarzane jest ciepło. Oddzielone od kationów wodoru elektrony mogą jedynie dopłynąć do katody w obwo- dzie zewnętrznym, dlatego takie ogniwo jest Rys. 1. Uproszczony schemat ogniwa paliwowego NOTATNIK KONSTRUKTORA 62 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2009 SPRZĘT bezpośrednim źródłem elektronów, czyli prą- du, a więc źródłem energii elektrycznej. Trzy w jednym: prąd, woda i ciepło. A wszystko bardzo ekologiczne, bo nie występują szkodli- we dla środowiska produkty reakcji. Gotowa, ekologiczna elektrociepłownia nie wydzie- lająca paskudztw szkodzących środowisku naturalnemu jak: tlenki siarki, azotu, węgla (tlenek i dwutlenek) i wodorowęglany siarki. Ogniwa paliwowe łączone są w większe zespoły (baterie, stosy), przede wszystkim sze- regowo w celu uzyskania odpowiednio wyso- kiego napięcia, bądź równolegle w celu zapew- nienia odpowiedniej wydajności prądowej. Zależnie od budowy i rodzaju zastoso- wanego medium paliwowego, ogniwa pa- liwowe dzielone są na kilka rodzajów, lecz generalnie są złożone z (rys. 1): ? membrany elektrolitowej o dużej prze- puszczalności jonów paliwowych, ? anody (elektrody od strony paliwa) o bu- dowie umożliwiającej dyfuzję jonów paliwa w kierunku membrany, o dużej powierzchni reakcji i zawierającej kata- lizator zapewniający jonizację gazu na kationy i elektrony, ? katody (elektrody od strony utleniacza, to jest powietrza) mającej podobną budo- wę jak anoda, na której następuje zobo- jętnianie kationów (ponowne połączenie ich z elektronami) i reakcja z tlenem, w wyniku której powstaje woda, ? separatora o strukturze umożliwiającej przepływ gazu do elektrod i jednocze- śnie oddzielającego elektrody przewo- dzące elektrony. Obecnie, ogniwa paliwowe z polimero- wymi membranami elektrolitowymi PEMFC, DMFC i z ceramiki tlenkowej SOFC uważa- ne są za takie, które mogą znaleźć szerokie zastosowanie. Te technologie cechują się bo- wiem najmniejszym kosztem wytwarzania. O ich atrakcyjności rynkowej może świad- czyć duże zainteresowania producentów (General Electric, Siemens Westinghouse, Toyota, Ballard i inni) i miliardy dolarów wydawane rocznie na prace badawczo ? pro- jektowe nad nimi. W tab. 1 zamieszczono warunki eksplo- atacji, paliwo i inne kluczowe parametry ogniw paliwowych różnych technologii. Każda z nich wymaga unikatowych mate- riałów i rozwiązań technicznych. Świadczy o różnorodności procesów chemicznych i temperatury pracy ( od 80°C dla PEMFC do 800°C dla ceramiki cyrkonowej SOFC) oraz właściwościach chemicznych i mikrostruk- turze elektrod zintegrowanych z elektrolitem (membraną). Szeroki zakres mocy uzyskiwanej z ogniw paliwowych predysponuje je do wielu zastosowań począwszy od nisko ener- getycznego sprzętu przenośnego (telefony komórkowe, laptopy), zasilaczy awaryjnych (UPS), aż po duże stacje energetycznych za- silające okręty podwodne, szpitale, centrale telefoniczne czy duże osiedla mieszkaniowe. Hitem ostatnich lat są samochody z napę- dem elektrycznym i paliwowymi generato- rami prądu, nad konstrukcją których pracują liczne zespoły konstruktorów wiodących producentów samochodów. Dużym powo- dzeniem rynkowym cieszą się także genera- Tab. 1. Porównanie rodzajów ogniw paliwowych Parametry PEMFC DMFC SOFC MCFC PAFC Elektrolit Membrana polimerowa membrana polimerowa ceramika stopiony węglan kwas fosfo- rowy Przenoszone kationy H+ H+ O2 - CO3 2- H+ Temperatura pracy 90°C 80°C 800°C 650°C 100°C Paliwo H2 metanol H2 , metanol, biogaz, LPG H2 , metanol, biogaz, LPG H2 Czas życia (godz.) >5000 >5000 >40000 >40000 >30000 Sprawność <35% <40 <45% <50% 49% Moc do 150 kW kW 5-250 kW MW 5-250 kW PEMFC ? Proton Exchange Membrane Fuel Cell DMFC ? Direct Metanol Fuel Cell SOFC ? Solid Oxide Fuel Cell MCFC ? Molten Carbonate Fuel Cell PAFC ? Phosphoric Acid Fuel Cell Rys. 2. typowa charakterystyka napięciowo ? prądowa ogniwa paliwowego Rys. 3. Schemat zastępczy ogniwa paliwowego 63ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2009 System diagnostyczny ogniw paliwowych tory CHP (Combined Heat & Power) na przy- kład kanadyjskiej ?rmy Ballard, które mogą służyć zarówno do ogrzewania i oświetlenia niewielkich siedlisk mieszkaniowych, jak i całych osiedli. Główne parametry elektryczne ogniw paliwowych Do podstawowych parametrów elek- trycznych ogniw paliwowych zalicza się: ? Napięcie w stanie nieobciążenia (napię- cie obwodu otwartego) ? jest to napięcie występujące na wyprowadzeniach ogni- wa, gdy prąd obciążenia jest równy zero (OCV ? Open Circuit Voltage). Jego war- tość zależy od grubości membrany oraz jej perforacji i wynosi około 1 V (rys. 2). Różnica między wartością tego napięcia, a napięciem efektywnej siły elektromo- torycznej sem jest nazywana napięciem aktywacji i wskazuje, czy czynnik kata- lityczny (katalizator) pracuje efektywnie. W pewnym stopniu prognozuje też czas życia ogniwa. ? Rezystancję wewnętrzną ogniwa R okre- ślającą jego jakość jako źródła napięcio- wego. Im mniejsza jest jej wartość, tym mniejszy jest spadek napięcia na źró- dle następujący wraz ze wzrastającym prądem obciążenia. Można ją określić z nachylenia statycznej charakterystyki prądowo ? napięciowej w zakresie robo- czym (liniowa część charakterystyki na rys. 2). Rys. 6. Schemat ideowy układu obciążenia Rys. 4. Podstawowy schemat blokowy użycia systemu do badania ogniwa Rys. 5. Schemat blokowy użycia systemu do badania poszczególnych ogniw w baterii z dołączonym skanerem KFM2151 ? Impedancję wewnętrzną ogniwa (para- metr mało sygnałowy), zależną od jego rezystancji, pojem- ności wewnętrznej i częstotliwości.Jest modelowana dwój- nikiem jak na rys. 3 (Rp ? składowa rów- noległa rezystancji wewnętrznej R, Cp ? Pojemność we- wnętrzna ogniwa, Rs ? składowa sze- regowa rezystancji R). Znajomość rezy- stancji wewnętrznej źródła określona w wa- runkach ustalonego ob- ciążenia statycznego, czyli z charakterystyki V-I, jest w wielu zasto- sowaniach praktycz- nych niewystarczająca, gdy ważna jest wów- czas znajomość bez- władności źródła przy obciążeniu dynamicz- nym, określana jego re- aktancją pojemnościo- wą 1/(j?Cp ) (? ? często- tliwość kątowa), czyli składową urojoną im- pedancji wewnętrznej. System KFM ?rmy KIKUSUI System KFM jest przeznaczony do bada- nia jakości ogniw paliwowych poprzez po- miar ich parametrów elektrycznych. Zawiera następujące przyrządy pomiarowe: ? miernik impedancji KFM2150, ? sterowany elektronicznie układ obciąże- nia serii PZL-4W, ? skaner (opcjonalny) KFM2151. Podstawowy schemat blokowy użycia systemu do badania ogniwa przedstawiono na rys. 4, natomiast na rys. 5 jego rozszerze- nie o skaner KMF2151 umożliwiający moni- torowanie spadku napięcia na poszczegól- nych ogniwach baterii. KMF2150 jest przyrządem pomiarowym wielu parametrów i różnych charakterystyk ogniwa (w tym charakterystyk impedancyj- nych), zależnie od zastosowanego oprogramo- wania aplikacyjnego, za pomocą którego są re- alizowane właściwe obliczenia. Wytrzymuje 64 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 5/2009 SPRZĘT duże wartości napięcia (do 150 V ? mogą więc być badane baterie wielu ogniw) i umożliwia pomiar dużych wartości prądu obciążenia do 1800 A (zależnie od typu). System pomiaro- wy zawiera ponadto układ obciążenia elektro- nicznego PLZ-4W, który zapewnia odpowied- ni dla danego ogniwa i przeprowadzanych badań prąd obciążenia. Uproszczony schemat ideowy układu takiego regulowanego obcią- żenia przedstawiono na rys. 6. Oprócz możliwości wykonania wspo- mnianych wyżej pomiarów, system służy przede wszystkim do pomiaru impedancji ogniwa (lub impedancji poszczególnych og- niw w baterii), a także do wyznaczania jego charakterystyki impedancyjnej w zależności od częstotliwości. Charakterystyka ta jest Rys. 7. Przykładowy wykres Cole-Cole impedancji ogniwa paliwowego Rys. 8. Wymuszenie prądu obciążenia przy pomiarze impedancji ogniwa metodą sinusoidalnej zmiany prądu pomiarowego Rys. 9. Wymuszenie prądu obciążenia przy pomiarze impedancji ogniwa metodą impulsową wykreślana w postaci wykresu Cole-Cole, to jest wykresu w prosto- kątnym układzie współ- rzędnych, utworzonym przez punkty, których współrzędnymi na osi odcię- tych są wartości składowej rzeczywistej impedancji Re(Z), a na osi rzędnych składowej urojonej Im(Z), wyznaczone dla różnych częstotliwości pomiarowych (rys. 7). Można z niego wyznaczyć parametry schematu zastępczego (mode- lu) ogniwa. Do pomiaru impedancji zastosowano w systemie metodę pomiaru zmiennoprądo- wego (AC impedance method) oraz metodę impulsowego wyłączania prądu obciążenia (current interrupt method). Wymuszenie zmiennego prądu pomiarowego zapewnia sterowany układ obciążenia aktywnego o schemacie jak na rys. 6. Ponieważ spadek napięcia na boczniku RB (proporcjonalny do prądu obciążenia ogniwa IL ) musi kom- pensować napięcie referencyjne VREF , to za pomocą zmiany napięcia referencyjnego można zmieniać prąd obciążenia. Wystarczy do napięcia referencyjnego dodać niewielki sygnał zmienny o określonej częstotliwo- ści, aby uzyskać odpowiadające mu zmiany prądu obciążenia (zmieniane w zakresie do 10% wartości prądu obciążenia) ? rys. 8. Znając parametry (I, ?) przebiegu tego prądu (IsinVt) oraz parametry (E, V, ?) przebiegu spadku napięcia zmierzonego bezpośrednio na zaciskach ogniwa (Esin(Vt+?), można ob- liczyć impedancję ogniwa ze wzoru: Z=Esin(Vt+F)/IsinVt=Re(Z)+jIm(Z) gdzie E i I są odpowiednio amplitudą napię- cia i prądu, V jest częstotliwością kątową, a F przesunięciem fazowym między prze- biegiem w czasie (t) prądu i napięcia. Należy tu podkreślić, że w obliczeniach impedancji, wartości chwilowe napięcia i prądu powinny być reprezentowane liczbami zespolonymi. W metodzie impulsowej modulacji prądu obciążenia (impulsowego wyłączania prądu pomiarowego) stosowane jest wymuszenie prądu obciążenia jak na rys. 9. Na podstawie takiego wymuszenia i odpowiadającego mu spadku napięcia, mierzonego bezpośrednio na wyprowadzeniach ogniwa, wyznaczana jest jego impedancja wewnętrzna. Oprogramowanie aplikacyjne systemu dia- gnostycznego umożliwia obliczenie wielu pa- rametrów i przeprowadzenie różnych testów: ? wyznaczenie charakterystyki napię- ciowo ? prądowej, na podstawie której można określić napięcie ogniwa w stanie rozwarcia oraz rezystancję wewnętrzną ogniwa dla warunków obciążenia sta- tycznego, ? wyznaczenie charakterystyki prądowo ? napięciowej (w warunkach statycznych), ? pomiar impedancji metodą AC, ? pomiar impedancji metodą impulsowego wyłączenia prądu (impulsowej modula- cji prądu obciążenia), ? wykreślenie wykresu Cole-Cole, na pod- stawie którego można określić parametry schematu zastępczego ogniwa, ? przeprowadzenie testu stałym prądem obciążenia, ? przeprowadzenie testu ze stałym napię- ciem wyjściowym. Wiele obserwowanych przedsięwzięć badawczych, produkcyjnych i biznesowych podejmowanych ostatnio wskazuje, że w nie- dalekiej przyszłości ogniwa paliwowe mogą, obok atomowych źródeł energii, wyelimino- wać trujące środowisko elektrociepłownie węglowe i mazutowe. Czyżby to początek nowej ery energetycznej? JJP