Ocena sprawności energetycznej ogniwa paliwowego typu PEM

• Autorzy: Mróz Tomasz , Sinacka Joanna , Fórmaniak Kacper

Identyfikatory

DOI

10.36119/15.2025.2.3

Warianty tytułu

EN

Evaluation of energy efficiency of PEM type fuel cell

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Skojarzona gospodarka energetyczna w dużej skali jest powszechnie znana i wykorzystywana w przemyśle (elektrociepłownie przemysłowe), komunalnych systemach ciepłowniczych oraz budynkach użyteczności publicznej (szpitale, biurowce), natomiast w mniejszej skali technologia ta jest rzadko stosowana ze względu na wysokie nakłady inwestycyjne i słabo rozwinięty rynek urządzeń. Znacząco niższy współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla produkcji ciepła w układach kogeneracyjnych w porównaniu do tradycyjnych układów ogrzewania (kotłownie i ciepłownie) pozwala na osiągnięcie założeń Zielonego Ładu w zakresie wzrostu efektywności energetycznej budownictwa. W artykule przedstawiono wyniki badań efektywności energetycznej ogniwa paliwowego typu PEM zasilanego gazem ziemnym o mocy cieplnej 1,1 kW i mocy elektrycznej 0,75 kW. Pełen cykl pracy ogniwa trwa 48 godzin: 46 godzin pracy urządzenia i 2 godziny przerwy technologicznej wynikającej z konieczności jego regeneracji. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów przepływu i temperatur wody chłodzącej, zużycia gazu ziemnego oraz produkcji energii elektrycznej wyznaczono średniodobową sprawność energetyczną ogniwa oraz współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej. W okresie objętym pomiarami średnia wartość sprawności energetycznej ogniwa wyniosła 82,1% a współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej 0,319, co wskazuje na atrakcyjność stosowania tego typu urządzenia jako bazowego źródła energii w budynkach mieszkalnych jednorodzinnych.

EN

Cogenerated heat and power production on a large scale is widely known and is used in industry (industrial combined heat and power plants), municipal heating systems and public utility buildings (hospitals, office buildings). However, the application of this technology on a smaller scale is rarely implemented due to high investment costs and a poorly developed market for such equipment. Significantly lower non-renewable primary energy factor for heat production in cogeneration systems compared to traditional heating systems (boilers and heating plants), makes it possible to meet the goals of the Green Deal in terms of increasing building energy efficiency. The article presents the results of energy efficiency evaluation of 1,1 kW heating capacity and 0,75 kW electrical power the PEM-type fuel cell powered by natural gas. The operating cycle of the fuel cell is 48 hours: 46 hours of device operation followed by a 2-hour of technological break for necessary regeneration. Measurements of cooling water flow and temperatures, natural gas consumption and electricity production allowed for derivation of daily average energy efficiency and nonrenewable primary energy effort factor of tested the fuel cell. It has been found that during the study period, the average energy efficiency and a non-renewable primary energy effort factor of the fuel cell tested have been 82.1% and 0.319 respectively, highlighting the attractiveness of using such a device as the energy source in single-family residential buildings.

Słowa kluczowe

PL

sprawność energetyczna; ogniwo paliwowe typu PEM

EN

energy efficiency; PEM type fuel cell

• Wydawca: Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna w budownictwie''
• Czasopismo: Instal
• Rocznik: 2025
• Tom: nr 2
• Strony: 22--26
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., fot., rys., wzory

Twórcy

autor

Mróz Tomasz

• Instytut Inżynierii Środowiska i Instalacji Budowlanych, Politechnika Poznańska, Poznań

• https://orcid.org/0000-0003-2129-9198

autor

Sinacka Joanna

• Instytut Inżynierii Środowiska i Instalacji Budowlanych, Politechnika Poznańska, Poznań

• https://orcid.org/0000-0003-3750-0319

autor

Fórmaniak Kacper

• Instytut Inżynierii Środowiska i Instalacji Budowlanych, Politechnika Poznańska, Poznań

• https://orcid.org/0009-0005-0010-8016

Bibliografia

• [1] Mróz T.: Energy management in built environment: tools and evaluation procedures, Publishing House of Poznań University of Technology, 2022.
• [2] Szargut J., Ziębik A.: Podstawy energetyki cieplnej. PWN Warszawa, 2000.
• [3] Mróz T.: Thermodynamic and economic performance of the LiBr-H2O single stage absorption water chiller, Applied Thermal Engineering 26 (2006) pp. 2103-2109. doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2006.04.013.
• [4] Turski M., Sekret R.: Buildings and a district heating network as thermal energy storages in the district heating system. Energy and Buildings, 179 (2018) pp. 49-56. doi.org/10.1016/j.enbuild.2018.09.015.
• [5] Gąsiorowski P., Mróz T.: Energy and exergy evaluation of tri-generation system based on natural gas fired micro-turbine - a case study: Instal 11 (2023) s. 9-13. doi.org/10.36119/15.2023.11.1.
• [6] Breeze P.: Fuel Cells, Power Generation Technologies, Elsevier Ltd. 2014 pp. 129-152.
• [7] Ceran B.: Badania modelowe ogniw paliwowych typu PEM, Poznan University of Technology Academic Journals, Electrical Engineering 70 (2012) str. 286-290.
• [8] Ceran B.: Ogniwa paliwowe w generacji rozproszonej, Poznan University of Technology Academic Journals, Electrical Engineering 74 (2013) str. 203-209.
• [9] https://www.ey.com/pl_pl/insights/climate-change-sustainability-services/wodor-zielony-niebieski-szary-wszystkie-kolory-wodoru (wejście 2025-01-17).
• [10] Zahedi A., Al-bonsrulah H. A. Z., Tafavogh M.: Conceptual design and simulation of a stand-alone Wind/PEM fuel Cell/Hydrogen storage energy system for off-grid regions, a case study in Kuhin, Iran, Sustainable Energy Technologies and Assessments 57 (2023).
• [11] Xu L., Xu L., Shao Y., Zhang X., Hu Z., Li J., Ouyang M.: Effects of hydrogen dilution on performance and in-plane uniformity of large-scale PEM fuel cell with low anode catalyst loading, Applied Energy 379 (2025). doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.124992.
• [12] Doucet G., Etievant C., Puyechet C., Grigoriev S., Millet P.: Hydrogen-based PEM auxiliary power unit, International Journal of Hydrogen, Energy 34 (2009) s. 4983-4989. doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.12.029.
• [13] https://www.viessmann-climatesolutions.com/en/newsroom/solution-offering/vitovalor-pa2-fuel-cell-heating-device.html (wejście 2025-01-17).
• [14] Cierpiał-Wolan M. (red.): Zużycie energii w gospodarstwach domowych w 2021 r., Główny Urząd Statystyczny, Urząd Statystyczny w Rzeszowie, Warszawa, Rzeszów (2023).
• [15] Rozporządzenie Ministra Rozwoju i Technologii z dnia 28 marca 2023 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej.