בדיקת השפעת תדר המיתוג על ההספק המתקבל בעבודה  של 4 תאי דלק העובדים לסירוגין.
מגיש:                         אוקטובר 2011, כ"ז בתשרי תשע"ב הוגש לשם מילוי חלקי של הדרישות לקבלת התואר "בוגר במדעים B.Sc. בהנדסת חשמל ואלקטרוניקה" תקציר הפרויקט בוצע כחלק מצוות העוסק במחקר במסגרת קידום ופיתוח של תאי דלק.
מתוצאות שהתקבלו ממחקרים קודמים ניתן היה לראות שהריאקציה שמתרחשת בתא דלק היא יחסית איטית וישנה בעיה עם אספקת זרמים חזקים הגורמים לנפילת מתח העומס ולכן מטרת המחקר הינה שיפור יעילות תא הדלק בשימוש במעגלי אלקטרוניקה להגדלת הספק המסופק.
הבדיקה שביצעתי הינה בדיקת השפעת תדר המיתוג על ההספק המתקבל ב-2
תאי דלק העובדים לסירוגין" ובדיקה האם ההספק גדל כאשר משתמשים בצורת חיבור זו, עליי להדגיש כי בדיקה זו התבצעה באמצעות מערכת III  AFCMSשהייתה כבר קיימת במעבדת תאי דלק.
ברצוני לציין כי תחילה מטרתי הייתה להשתמש בשני תאי דלק המחוברים למערכת (AFCMS III) Automatic Fuel Cell Measurements System III כאשר הם  עובדים לסירוגין ולאחר מכן לעבור ל-4 תאי דלק, אך בפועל לאחר שהמערכת AFCMS III לא נתנה לי את הנתונים הדרושים וזאת מפאת הגבלת התוכנה, החלטתי לבנות מערכת למיתוג 4 תאי דלק שתבצע את המיתוג ברמת החומרה על פי הדרישות שלי ובסופו של דבר תתחבר למערכת המדידות ה-Data Logger ותוציא לי נתונים לקובץ Excel.
את כל הניסויים ביצעתי בריכוז גלוקוזה של 0.4 [M] וב-1 [M] KOH קבוע.
מטרות הראשוניות שביצעתי הן: לימוד אופן פעולת תא הדלק והכנת התמיסה הדרושה לשם הפעלתו.
לימוד אופן פעולת מערכת המדידות  AFCMS III ושימוש בה לצורך המחקר שלי.
תכנון מערכת שתבצע מיתוג ל-4 תאי דלק לסירוגין .
לימוד אופן פעולת מערכת המדידות Data Logger  ושימוש בה לצורך המחקר שלי. מאחר ונבנתה מערכת מיתוג ל-4 תאי הדלק ברמת החומרה אציג ואפרט בספר זה את מהלך עבודתי על המערכת, כולל הבעיות שבהן נתקלתי במהלך המחקר ועד הגעה למצב שהמערכת עובדת ומבצעת את הניסויים כנדרש, כמו כן אציג בספר זה ניסויים שביצעתי באמצעות המערכת המיתוג שהם מהווים חלק בלתי נפרד מהמחקר כולו.
תוכן עניינים:
1
מבוא
.1
1 .1  תא דלק –1
1 .2  אופן היווצרות  מתח Open Circuit Voltage (OCV) בתא הדלק ..1
1 .3  שכבה כפולה (Double Layer  ) -3
1 .4  אפיון באמצעות עקומת פולריזציה .3
1 .5   שיטת "Cyclic Connection-Disconnection" –…5
2 תיאור המחקר -6
2 .1  תמונת מצב המערכת בתחילת עבודת המחקר ..6
2 .2
 צורך בבניית מערכת זו לשימוש במחקר –6
2 .2.1
מטרות המחקר –.6
2 .3Proportional Control  מפרט פונקציונאלי כללי .7
2 .4 מפרט טכני כללי –…8
2 .4.1 טבלת פירוט מכלולי המערכת -.8
2 .4.2  תרשים מלבנים –9
2 .5 פירוט מכלולי המערכת ..10
2 .5.1 מערכת למיתוג 4 תאי דלק –10
2 .5.2  מערכת מדידות אוטומטית  AFCMS III …10
2 .5.2.1 תרשים מלבנים -..11
2 .5.2.2 טבלת פירוט מכלולי המערכת ..11
2 .5.3 מערכת מדידות  Data Logger …
11
2 .5.3.1
תרשים מלבנים -..12
2 .5.3.2
טבלת פירוט מכלולי המערכת ..12    2.5.4
עיקרון פעולת מערכת .12
3 מטלות המחקר
3 .1 מטלות הנדסיות – מפרט דרישות -13
3 .2 ביצוע המטלות –…13
3 .2.1 שלבי תכנון .13
3 .2.2 תרשים מלבנים –14
3 .2.3 סכמת מעגל המיתוג ל-4 תאי דלק העובדים לסירוגין …14
3 .3 אופן פעולת רכיב 74194 4 Bit Shift Register –…
15                                                                             
3 .4   אופן פעולה של טרנזיסטור Mosfet IRF1010E –.
17
3 .5   ביצוע ניסויים המפורטים במטרות המחקר …
18

3 .5.1 ביצוע ניסוי עבור נגדי עומס Ohm 10,  Ohm100 ,  Ohm1000 והשפעתם על המתח בתא הדלק …18 3.5.2 בדיקת היחס בין נפילת המתח עד (5%,10%) לבין צפיפות הזרם במעגל עבור נגדי עומס שונים . 20
3 .5.2.1 השוואת יחס בין זמן נפילת המתח עד 5% לבין צפיפות הזרם במעגל בין תא דלק מס' 1
לתא דלק מס' 2 בעת חיבור נגדי העומס 22
3 .5.2.2 השוואת יחס בין זמן נפילת המתח עד 10% לבין צפיפות הזרם במעגל בין תא דלק מס' 1
לתא דלק מס' 2 בעת חיבור נגדי העומס
23
3 .5.3 בדיקת היחס בין נפילת המתח עד  (95%,90%) לבין צפיפות הזרם במעגל עבור נגדי עומס שונים ..24
3 .5.3.1 השוואת יחס בין זמן נפילת המתח עד 90% לבין צפיפות הזרם במעגל בין תא דלק מס' 1
לתא דלק מס' 2 בעת ניתוק נגדי העומס
24
3 .5.3.2 השוואת יחס בין זמן נפילת המתח עד 95% לבין צפיפות הזרם במעגל בין תא דלק מס' 1
לתא דלק מס' 2 בעת ניתוק נגדי העומס
5
3 .5.4 בדיקת מערכת לזמן קצר (60 שניות,60 דקות) בדיקת השפעת תדרים של  1Khz – 6Khz לזמן קצר (60 שניות ) על צפיפות ההספק עם נגדי עומס שערכם  Ohm 10,  Ohm100 ,  Ohm1000 -26
3 .5.4.1 חיבור נגדים מהקטן לגדול בסדר עולה — 27
3 .5.4.2 חיבור נגדים מהגדול לקטן בסדר יורד -.29
3 .5.4.3 ביצוע ניסויים עם תדרים של  1Khz – 6Khz לזמן קצר (60 דקות) עם נגד עומס של10 Ohm-32
3 .5.4.4 ביצוע ניסויים עם תדרים של  1Khz – 6Khz לזמן קצר (60 דקות) עם נגד עומס של 100 ohm..33
3 .5.4.5 ביצוע ניסויים עם תדרים של  1khz – 6khz לזמן קצר (60 דקות) עם נגד עומס של  100 ohm…34
3 .5.5
בדיקת מערכת לזמן ארוך (24 שעות) —
35
3 .5.5.1 ביצוע ניסויים עם תדרים של  1Khz – 6Khz לזמן ארוך (24
שעות) עם נגד עומס של  Ohm 10 -..35
3 .5.5.2 ביצוע ניסויים עם תדרים של  1Khz – 6Khz לזמן ארוך (24
שעות) עם נגד עומס של  Ohm 100… .36
3 .5.5.3 ביצוע ניסויים עם תדרים של  1Khz – 6Khz לזמן ארוך (24
שעות) עם נגד עומס שלOhm  1000… 36
3 .5.6 חיבור של
5 נגדי עומס לבדיקת השפעת תדרים של  1Khz – 6Khz לזמן קצר על צפיפות ההספק37
3 .5.6.1 חיבור של
5 נגדי עומס מהקטן לגדול בסדר עולה – 38
3 .5.6.2 חיבור של
5 נגדי עומס מהגדול לקטן בסדר יורד – 40
3 .5.7
השוואה בין חיבור טורי של תאי דלק לחיבור מקבילי של תאי דלק ללא מערכת המיתוג עבור שלושה נגדי עומס10 Ohm ,100 Ohm, 1000 Ohm   –41
4 סיכום ודיון -.44
5 סימוכין –..48
                                                                                                    רשימת איורים:
איור
1 . תא הדלק ומרכיביו …1
איור
2 . מעבר של אלקטרונים מאלקטרוליט לאלקטרודת דלק 2
איור
3 . מעבר של אלקטרונים מאלקטרודת חמצן לאלקטרוליט –…2
איור
4 . ישום שיכבה כפולה על קתודה של תא דלק .3
איור 5 . עקומת פולריזציה, אפיון תיאורטי ומעשי של מתח תא הדלק כתלות בזרם 4
איור
6 . מתח כפונקציה של זמן במהלך מחזור חיבור ניתוק עבור RL=10 Ohm -5
איור 7. תרשים מלבנים של המערכת הכללית -…9
איור 8. מערכת מדידות אוטומטית  AFCMS III .11
איור 9. מערכת מדידות Data Logger .12
איור 10. מערכת מיתוג ל-4 תאי דלק -14 איור 11. סכמת מעגל המיתוג ל-4 תאי דלק –14
איור
1 2. אופן פעולת רכיב 4 Bit Shift Register ..15
איור
1 3. אופן פעולת הרכיב על פי התיאוריה -.
16
איור 14. אופן הפעולה המעשי של הרכיב –…16
איור
1 5. סימול הטרנזיסטור כפי שמופיע בדפי הנתונים -..17
איור
1 6. אופן ביצוע פעולת המיתוג על הנגד –17
איור 17. דוגמא לעקומת פולריזציה חיבור/ניתוק עבור נגדים קטנים -18
איור
1 8. חיבור נגד עומס 10 Ohm -..19
איור
1 9. חיבור נגד עומס 100 Ohm -19
איור
2 0. חיבור נגד עומס 1000 Ohm …20 איור
2 1. עקומת פולריזציה של תא דלק מס'
1 -.21
איור 22. עקומת פולריזציה של תא דלק מס'
2 -.21
איור 23. יחס בין זמן נפילת המתח עד 5% לבין צפיפות הזרם בתא דלק מס' 1 בעת חיבור נגדי העומס..22    איור 24. יחס בין זמן נפילת המתח עד 5% לבין צפיפות הזרם בתא דלק מס' 2 בעת חיבור נגדי העומס..22
איור
5 . יחס בין זמן נפילת המתח עד 10% לבין צפיפות הזרם בתא דלק מס' 1 בעת חיבור נגדי העומס.23
איור 26. יחס בין זמן נפילת המתח עד 10% לבין צפיפות הזרם בתא דלק מס' 2 בעת חיבור נגדי העומס.23
איור 27. יחס בין זמן נפילת המתח עד 90% לבין צפיפות הזרם בתא דלק מס' 1 בעת חיבור נגדי העומס.24    איור 28. יחס בין זמן נפילת המתח עד 90% לבין צפיפות הזרם בתא דלק מס' 2 בעת חיבור נגדי העומס.
5     איור 29. יחס בין זמן נפילת המתח עד 95% לבין צפיפות הזרם בתא דלק מס' 1 בעת חיבור נגדי העומס.
5 איור 30. יחס בין זמן נפילת המתח עד 95% לבין צפיפות הזרם בתא דלק מס' 2 בעת חיבור נגדי העומס.26
איור 31.
ניסוי לזמן קצר עבור 10 Ohm סדר עולה 27
איור 32.
ניסוי לזמן קצר עבור 100 Ohm סדר עולה –..28
איור 33.
ניסוי לזמן קצר עבור 1000 Ohm סדר עולה —
28
איור 34. עקומות פולריזציה בסדר עולה עבור 10,100,1000 Ohm -..29
איור 35. ניסוי לזמן קצר עבור 10 Ohm סדר יורד –…
29
איור 36. ניסוי לזמן קצר עבור 100 Ohm סדר יורד –..
30 איור 37. ניסוי לזמן קצר עבור 1000 Ohm סדר יורד —
31
איור 38.
עקומות פולריזציה בסדר יורד עבור 10,100,1000 Ohm -..31
איור 39. השוואה בין ניסויים עבורOhm   10 -.
32
איור 40.  השוואה בין הניסויים לאחר הגדלה -.
33
איור
4 1. השוואה בין ניסויים עבור  100 Ohm –. 33
איור
4 2. השוואה בין ניסויים עבור 1000 Ohm — 34
איור
4 3. השוואה בין הניסויים לאחר הגדלה -..34
איור
4 4. ניסויים לזמן ארוך בתדרים   1Khz – 6Khzעבור נגד עומס של   Ohm10. . –35
איור
4 5. ניסויים לזמן ארוך בתדרים   1Khz – 6Khzעבור נגד עומס של Ohm 100 –…36
איור
4 6. ניסויים לזמן ארוך בתדרים  1Khz – 6Khzעבור נגד עומס של 1000 Ohm –..36
איור
4 7. השפעת תדר מיתוג על ההספק עבור תדרים של 1Khz-6Khz  לזמן קצר עבור
5 נגדי עומס       בסדר עולה –38
איור
4 8. השוואה בין הניסויים לזמן קצר עבור
5 נגדי עומס סדר עולה 39
איור
4 9. השפעת תדר מיתוג על ההספק עבור תדרים של 1Khz-6Khz  לזמן קצר עבור
5 נגדי עומס       בסדר יורד –40 איור 50. השוואה בין הניסויים לזמן קצר עבור
5 נגדי עומס סדר יורד .40  איור 51.חיבור נגד עומס   10 Ohmבחיבור טורי ..41
איור 52. חיבור נגד עומס  10 Ohmבחיבור  מקבילי –…42
איור 53. חיבור נגד עומס 100 Ohm בחיבור טורי .42
איור 54. חיבור נגד עומס 100 Ohm  בחיבור מקבילי –.43
איור 55. חיבור נגד עומס   Ohm1000 בחיבור טורי –…43
איור 56. חיבור נגד עומס Ohm 1000 בחיבור מקבילי –44
איור 57. קפיצות האמפליטודה שהתקבלו בחיבור נגדי עומס של  100 Ohm ו-10 Ohm -..46
רשימת טבלאות :
טבלה
1 . טבלת פירוט מכלולי המערכת …8
טבלה 2. טבלת פירוט מכלולי מערכת המדידה AFCMS3 -11
טבלה
3 . טבלת פירוט מכלולי המערכת  DATA LOGGER .12
טבלה
4 . ערכים המתקבלים על תא הדלק בעת חיבור נגדי עומס –.20 טבלה 5. טבלת השוואה לזמן קצר בין התדרים עבור נגד עומס של Ohm
1 0 סדר עולה –27
טבלה
6 . טבלת השוואה לזמן קצר בין התדרים עבור נגד עומס של Ohm 100 סדר עולה -..28
טבלה 7. טבלת השוואה לזמן קצר בין התדרים עבור נגד עומס של Ohm 1000 סדר עולה -29
טבלה
8 . טבלת השוואה לזמן קצר בין התדרים עבור נגד עומס של Ohm 10 סדר יורד –30 טבלה 9. טבלת השוואה לזמן קצר בין התדרים עבור נגד עומס של Ohm 100 סדר יורד -…30 טבלה
1 0 . טבלת השוואה לזמן קצר בין התדרים עבור נגד עומס של Ohm 1000 סדר יורד …31
טבלה
1 1. טבלת השוואה לזמן קצר (60 דקות) בין התדרים עבור נגד עומס של 10 Ohm -..33
טבלה 12. טבלת השוואה לזמן קצר (60 דקות) בין התדרים עבור נגד עומס של Ohm
1 00 -34
טבלה
1 3 . טבלת השוואה לזמן קצר (60 דקות) בין התדרים עבור נגד עומס של Ohm 1000 . 35
טבלה 14. טבלת השוואה לזמן ארוך (24 שעות) בין התדרים עבור נגד עומס של Ohm 10 -.35
טבלה 15. טבלת השוואה לזמן ארוך (24 שעות) בין התדרים עבור נגד עומס של Ohm  100 …36
טבלה 16. טבלת השוואה לזמן ארוך (24 שעות) בין התדרים עבור נגד עומס של 1000 Ohm ..37
טבלה 17. טבלת ערכי נגדי העומס -..37
טבלה 18. טבלת השוואה לזמן קצר עבור
5 נגדי עומס סדר עולה –39
טבלה 19. טבלת השוואה לזמן קצר עבור
5 נגדי עומס סדר יורד -… 41