Ćwiczenie nr 2 Ogniwa paliwowe

(1)

IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE

Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Chemii Nieorganicznej

Laboratorium z Elektrochemii Ciała Stałego

Ćwiczenie nr 2

Ogniwa paliwowe

(2)

Spis treści

1. Cel ćwiczenia ... 3

2. Ogniwa paliwowe ... 3

2.1. Historia rozwoju technologii ... 3

2.2. Zasada działania ... 3

2.3. Podstawy termodynamiczne ... 4

3. Rodzaje ogniw paliwowych ... 6

3.1. SOFC – stałotlenkowe ogniwa paliwowe ... 7

3.2. PEMFC – ogniwa paliwowe z membraną polimerową ... 9

4. Opisy wykonania ćwiczeń ... 11

4.1. Elektroliza wody ... 11

4.2. Wyznaczanie liczby Avogadro ... 13

4.3. I prawo Faraday’a ... 14

4.4. Krzywe charakterystyczne ogniwa paliwowego ... 15

4.5. Wykorzystanie I prawa Faraday’a w ogniwie paliwowym ... 17

4.6. Ogniwo zasilane metanolem ... 19

4.7. Ogniwo zasilane etanolem ... 21

4.8. Wpływ temperatury na wydajność ogniwa z etanolem ... 23

4.9. Wykorzystanie procesu elektrolizy wody do zasilania urządzeń – samochodzik .. 24

(3)

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z rodzajami ogniw paliwowych oraz zasadą ich działania.

2. Ogniwa paliwowe

Ogniwa paliwowe to elektrochemiczne układy prądotwórcze, czyli ogniwa galwaniczne, które w sposób ciągły zasilane są substratami reakcji elektrodowych, przy równoczesnym ciągłym odprowadzaniu produktów tych reakcji.

2.1. Historia rozwoju technologii

Pierwsze ogniwo paliwowe zostało skonstruowane w 1839 roku przez William Grove’a. Wyszedł on z założenia, że elektroliza wody, w której otrzymuje się tlen i wodór, jest procesem odwracalnym, a ponieważ wymaga on dostarczenia dużej ilości energii elektrycznej, to proces odwrotny mógłby ją zapewnić. Ok. 1850 roku w Wielkiej Brytanii zademonstrowana została łódź elektryczna napędzana silnikiem zasilanym wyłącznie ogniwami paliwowymi. W 1950 roku NASA rozpoczęła pracę nad zastosowaniem ogniw paliwowych w ramach kilkuset projektów badawczych, a w 1960 roku wystartował wahadłowiec Apollo z ogniwem zasadowym. Dziesięć lat później, wahadłowiec Columbia korzystał z pracy takiego samego ogniwa. Jednak największą barierą w dalszym rozwoju technologii ogniw paliwowych były bardzo wysokie koszty produkcji.

Obecnie technologia ogniw paliwowych jest intensywnie rozwijana w krajach UE, Japonii i USA.

Wiele ośrodków naukowych zajmuje się badaniami, które mają na celu wydłużenie czasu pracy ogniwa, redukcję masy oprzyrządowania, czy zmniejszanie kosztów samej produkcji. Przewiduje się iż powstawanie infrastruktury wodorowej i wdrażanie technologii ogniw paliwowych w urządzeniach codziennego użytku rozpocznie się dopiero po roku 2020.

2.2. Zasada działania

Działanie ogniwa paliwowego opiera się na odwróconym procesie elektrolizy. Zachodzi wówczas synteza wody z gazów zawierających wodór i tlen, przy jednoczesnym wytwarzaniu energii elektrycznej. Paliwo transportowane jest do obszaru anody, natomiast tlen do katody. Elektrolit pełni rolę rozdzielacza komponentów gazowych i wymieniacza jonów. Niemal we wszystkich rodzajach ogniw paliwowych wodór rozbijany jest pod wpływem działania katalizatora na protony, które dyfundują przez elektrolit, oraz elektrony płynące przez obwód zewnętrzny. Protony i elektrony łączą się z cząsteczkami tlenu tworząc cząsteczki wody. Schemat przykładowego ogniwa paliwowego oraz zachodzących w nim procesów elektrochemicznych przedstawiono poniżej:

Ni, ZrO₂, H₂, H₂O | ZrO₂, O^2-| O^2-, (La, Sr)MnO₃ 2H_2(𝑔)+4H₂O=4H₃O⁺+4e^-

O_2(g)+4H₃O⁺+4e^-=6H₂O_(g)

--- 2H_2(g)+O_2(g)=2𝐻₂𝑂(g)

Zalet ogniw paliwowych jest wiele. Spośród nich można wyróżnić:

 możliwość pracy ciągłej,

 możliwość stosowania różnych rodzajów paliw, m.in.: wodór, metan, metanol, biogaz,

 znikoma emisyjność zanieczyszczeń,

 niski poziom hałasu,

(4)

 kogeneracja, czyli jednoczesne wytwarzanie energii elektrycznej i użytkowej energii cieplnej, które możliwe jest ogniwach typu SOFC i MCFC,

 możliwość łączenia pojedynczych modułów w stosy umożliwiające zwiększenie.

Do wad ogniw paliwowych należą:

 niskie napięcie i niewielkie moce uzyskiwane z pojedynczego modułu,

 produkcja prądu stałego (wada emisyjna),

 wysoki koszt materiałów stosowanych jako katalizatory.

2.3. Podstawy termodynamiczne

Na wartość końcową współczynnika sprawności ogniwa paliwowego składa się liczba poszczególnych etapów procesu konwersji.

W przypadku przemiany izotermiczno-izobarycznej, maksymalna praca nieobjętościowa Lno czyli praca elektryczna dla ogniw paliwowych Lel, jest równa zmianie entalpii swobodnej reakcji ΔG, co wyraża się wzorem:

𝐿_𝑛𝑜 = 𝐿_𝑒𝑙 = −𝑛𝐹𝐸_𝑟 = ∆𝐺 (1)

gdzie: n – liczba moli elektronów biorących udział w procesie, F – stała Faradaya, Er - napięcie równowagowe (odwracalne) ogniwa.

Sumaryczna reakcja zachodząca w ogniwie wodorowo-tlenowym (spalanie wodoru w tlenie) zapisana może być jako:

1

2𝑂₂+ 𝐻₂= 𝐻₂𝑂 (2)

W warunkach standardowych (p=1 atm i T=25°C) wyliczona wartość napięcia odwracalnego dla wody ciekłej wynosi E⁰298=1,23 [V] a dla pary wodnej E⁰298=1,18 [V]. Rzeczywiste napięcie odwracalne ogniwa paliwowego Er wodorowo-tlenowego określone jest równaniem Nernsta:

𝐸_𝑟 = 𝐸⁰+^𝑅𝑇_2𝐹𝑙𝑛_𝑝^𝑝^𝐻2

𝐻2𝑂+^𝑅𝑇_4𝐹𝑙𝑛𝑝_𝑂₂ (3)

gdzie: pH2, pO2, pH2O – ciśnienia cząstkowe (parcjalne) wodoru, tlenu i pary wodnej, R – stała gazowa, E^o – potencjał odwracalny, którego zależność od temperatury zmienia się w zależności od rodzaju ogniwa paliwowego.

Napięcie obciążonego ogniwa różni się od napięcia odwracalnego, co wynika z ograniczeń kinetycznych związanych z:

a) rozpuszczaniem się w elektrolicie gazów zasilających ogniwo, b) dyfuzją cząstek aktywnych do i od elektrody,

c) sorpcją cząsteczek elektroaktywnych na elektrodzie, d) przeniesieniem ładunku w czasie procesu elektrodowego,

e) przenoszeniem ładunku w elektrolicie i w obwodzie zewnętrznym między elektrodami ogniwa.

Skończona szybkość wymienionych procesów wpływa na rzeczywistą moc ogniwa paliwowego, która jest zawsze niższa niż hipotetycznego ogniwa doskonałego (rysunek 1). Straty te nazywane są:

nadnapięciem, polaryzacją, nieodwracalnością i spadkami napięcia a podzielić je można na trzy kategorie:

a) polaryzacja aktywacyjna ƞakt – prąd wymiany uzależniony jest od właściwości katalitycznych materiału elektrody, powierzchni elektrody oraz od stężenia reagentów; ma decydujący udział w zakresie niskich natężeń prądów obciążenia – im mniejsze natężenie prądu wymiany i0, tym polaryzacja aktywacyjna jest mniejsza;

(5)

b) polaryzacja stężeniowa ƞs – ma decydujący udział w zakresie działania wysokich natężeń prądów ogniwa; w przypadku natężeń o wielkościach zbliżonych do natężenia granicznego przebieg polaryzacji w funkcji natężenia prądu staje się niemalże pionowy; znaczna szybkość przeniesienia ładunku na elektrodzie i duże obciążenie ogniwa (wysokie natężenie prądu) wpływają na szybsze zużycie substancji elektroaktywnych;

c) polaryzacja omowa ƞom – jest następstwem oporności elektrolitu oraz materiału elektrod, spełnia prawo Ohma.

Uwzględniając wszystkie te straty, wyliczyć można napięcie obciążonego ogniwa korzystając ze wzoru:

𝐸 = 𝐸_𝑟− 𝜂_{𝑎𝑘𝑡,𝑎}− 𝜂_𝑠,𝑎− 𝜂_𝑜𝑚− 𝜂_{𝑎𝑘𝑡,𝑘}− 𝜂_𝑠,𝑘 (4) gdzie: a i k – wskaźniki oznaczające polaryzację anody i katody ogniwa.

W przypadku ogniw paliwowych straty napięciowe mogą dotyczyć również innych zjawisk np.

przenikania paliwa w obszar katodowy, czy też pojawiania się na jednej z elektrod produktów reakcji (tzw. starty nernstowskie).

Rysunek 1. Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa galwanicznego.

Sprawność konwersji pojedynczego ogniwa paliwowego (sprawność elektrochemiczna Ɛech) nie uwzględnia energii zużytej na zasilanie ogniwa oraz zmianę parametrów energii elektrycznej, uzyskanej z pracującego ogniwa, na parametry użyteczne. Zatem na sprawność całkowitą składają się:

a) sprawność termiczna ogniwa Ɛter – maksymalna sprawność uzyskana z doskonałego ogniwa paliwowego. Ze względu na różne rodzaje ogniw i różne temperatury ich pracy, sprawność termiczna wynosi od 0,73 (dla wysokotemperaturowego ogniwa paliwowego) do 0,83 (dla niskotemperaturowego ogniwa paliwowego).

𝜀_𝑡𝑒𝑟 =^ΔG

ΔH (5)

gdzie: ΔH – entalpia.

b) sprawność napięciowa ƐE – ściśle związana ze zjawiskami polaryzacji napięciowej obciążonego ogniwa; w optymalnych warunkach pracy mieści się w zakresie 0,6-0,8.

𝜀_𝐸 = ^𝐸

𝐸_𝑟 (6)

(6)

c) sprawność faradajowska ƐF – informuje o tym, jaki procent energii paliwa jest bezpośrednio użyty na wytworzenie energii elektrycznej w procesie elektroutleniania, sprawność ta jest przeważnie bardzo wysoka, najczęściej przekracza ona 0,95.

𝜀_𝐹= ^𝑖

𝑖_𝐹 (7)

gdzie: i – rzeczywisty prąd czerpany z ogniwa, iF – prąd, który byłby czerpany z ogniwa w sytuacji, gdy nie byłoby żadnych innych procesów pobocznych, zachodzących w trakcie pracy ogniwa a paliwo w całości służyłoby wytworzeniu prądu.

d) stopień utylizacji paliwa U – określa stosunek zużytego paliwa (H2)d-(H2)w do całkowitej ilości paliwa (H2)d doprowadzonego do przestrzeni anodowej, stopień utylizacji w ogniwach paliwowych mieści się w zakresie 0,65-1,00.

𝑈 =^(𝐻²⁾^𝑑^−(𝐻²⁾^𝑤

(𝐻₂)_𝑑 (8)

Zatem zakres sprawności konwersji pojedynczego ogniwa można zapisać jako iloczyn poszczególnych sprawności składowych:

𝜀_𝑒𝑐ℎ= 𝜀_𝑡𝑒𝑟𝜀_𝐸𝜀_𝐹𝑈 (9)

3. Rodzaje ogniw paliwowych

Rodzaj elektrolitu zastosowanego w ogniwie paliwowym definiuje jego typ i temperaturę pracy.

Rolę elektrolitu mogą pełnić: stopiona sól, stężony roztwór wodorotlenku potasu, membrana polimerowa, elektrolit stały i inne (tabela 1, rysunek 2).

Tabela 1. Rodzaje ogniw paliwowych i ich cechy charakterystyczne.

rodzaj ogniwa elektrolit paliwo temperatura

pracy [^oC] zastosowanie PEMFC - ogniwo paliwowe

z membraną polimerową

polimer w stanie stałym

H2, N2H4, CH4 – paliwo i utleniacz

pozbawione CO2

60-100 astronautyka, technika wojskowa AFC - alkaliczne ogniwa

paliwowe roztwór KOH H2, N2H4, CH4 90-100 astronautyka, technika wojskowa DMFC - ogniwo paliwowe

zasilane metanolem

polimer w stanie

stałym metanol 50-120 przenośne

PAFC - ogniwo paliwowe z

kwasem fosforowym stężony H3PO4

H2, CH3OH, gaz ziemny, nafta,

biogaz

150-200 obiekty publiczne

MCFC - ogniwo paliwowe ze stopionym węglanem

stopiony węglan (Li, K, Na)

CH3OH, ziemny,

biogaz 600-1000 energetyka

SOFC - stałotlenkowe

ogniwo paliwowe ZrO2:Y2O3

H2, CH4, gaz

ziemny, biogaz 600-1000 energetyka, kogeneracja

Elektrody zbudowane są z materiałów charakteryzujących się właściwościami elektrolitycznymi względem odpowiednich reakcji połówkowych oraz takimi parametrami jak: odpowiednie rozwinięcie powierzchni, właściwości absorpcyjne, trwałość chemiczna w warunkach pracy, stosunkowo niska cena. Ogniwa paliowe dzięki pominięciu cyklu Carnota charakteryzują się wysoką sprawnością 70-90%.

(7)

Rysunek 2. Mechanizm działania ogniw paliwowych różnego typu (http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/fuel- cells/printall.php)

O wyborze odpowiedniego rodzaju ogniwa paliwowego do konkretnego zastosowania decyduje jego moc i temperatura pracy. Na rysunku 3 przedstawione są wybrane zastosowania ogniw paliwowych z uwzględnieniem ich zapotrzebowania na moc. Do najbardziej obiecujących należą ogniwa ze stałym tlenkiem SOFC – ze względu na możliwość osiągnięcia wysokich mocy, oraz ogniwa z membraną polimerową PEMFC – ze względu na mnogość zastosowań. Dlatego też tylko te dwa typy ogniw zostaną szerzej omówione.

Rysunek 3. Zastosowania poszczególnych rodzajów ogniw paliwowych.

3.1. SOFC – stałotlenkowe ogniwa paliwowe

Ten typ ogniwa wymaga wysokiej temperatury pracy ok. 600-1000°C (schemat na rysunku 4).

Dzięki temu, w ogniwie mogą być wykorzystane tańsze materiały (np. katalizatory niklowe zamiast

(8)

platynowych), a konstrukcja ogniwa nie wymaga takiej precyzji, jak w przypadku innych typów ogniw.

Ciepło uzyskiwane za pomocą tego ogniwa może być wykorzystane do ogrzewania bądź do współgenerowania energii elektrycznej (kogeneracja), np. przy użyciu wysokosprawnych mikroturbin.

Prowadzić to może do wykorzystania energii paliwa aż w 75%.

SOFC to ogniwa nie zawierające komponentów ciekłych. Zyskują dzięki temu większą integralność konstrukcji, a także większe możliwości minimalizacji grubości pojedynczego ogniwa, co ma kluczowe znaczenie dla uzyskiwanej gęstości mocy systemu.

Problemem w technologii SOFC jest dobór materiałów o jednakowych współczynnikach rozszerzalności cieplnej. Brak takiej kompatybilności prowadzi do nieuchronnego rozszczelnienia ogniwa w trakcie cyklicznego nagrzewania (praca) i chłodzenia (postój). Ogniwa te narażone są również na zjawiska interdyfuzji pierwiastków w wysokiej temperaturze.

reakcje na elektrodach:

katoda 1

2𝑂_2(𝑔)+ 2𝑒⁻+ 𝑉₀^••= 𝑂₀^𝑥 anoda

𝐻_2(𝑔)+ 𝑂₀^𝑥 = 𝐻₂𝑂 + 𝑉₀^••+ 2𝑒⁻

reakcja sumaryczna:

𝐻_2(𝑔)+1

2𝑂_2(𝑔)= 𝐻₂𝑂

Rysunek 4. Schemat działania stałotlenkowego ogniwa paliwowego wraz z zachodzącymi w nim reakcjami.

Jako elektrolit stosowany jest zestalony, nieporowaty tlenek metalu, zazwyczaj ZrO2 stabilizowany Y2O3. Jego odpowiednia budowa zapewnia przewodnictwo jonowe tlenu rzędu 10^-2 [S∙cm^-1] (nośnikami jonów tlenu są wakancje tlenowe) w szerokim zakresie ciśnień tlenu, 1-10^-20 atm, gdyż styka się on zarówno z atmosferą silnie utleniającą (od strony katody) jak i silnie redukującą (od strony anody gdzie podawane jest paliwo).

Anoda, zazwyczaj oparta jest na ceramice niklowej lub kobaltowej (Co-ZrO2, Ni/YSZ, Ni/CeO2), jest przewodnikiem jonowo-elektronowym. Przewodnictwo jonowe związane jest z wakancjami tlenowymi YSZ lub w CeO2, a przewodnictwo elektronowe wynika z przewodzącej ścieżki perkolacyjnej.

Rolę katody mogą pełnić tlenki La1-xSrxMO3-d, M=Mn, Fe, Co, Ni, o strukturze perowskitu. Są to przewodniki jonowo-elektronowe, których przewodnictwo jonowe wynika z niestechiometrii w podsieci tlenu (wakancje tlenowe) a przewodnictwo elektronowe związane jest z mieszaną walencyjnością jonów M³⁺/M⁴⁺ i zależy od poziomu niestechiometrii tlenowej oraz ilości i rodzaju domieszek.

Tak jak w przypadku pozostałych rodzajów ogniw, wszystkie komponenty ogniwa powinny wykazywać kompatybilność chemiczną i termiczną (tabela 2).

(9)

Tabela 2. Właściwości i funkcje elementów składowych ogniwa paliwowego.

właściwości elektryczne właściwości termomechaniczne

katoda np. LaMO3-y

 przewodnictwo jonowo-elektronowe

 aktywność katalityczna na granicy faz

 porowatość

 dopasowanie współczynników rozszerzalności termicznej

 adhezja elektrolit

np. YSZ, GDC  przewodnictwo jonowe  gazoszczelność

 stabilność mechaniczna anoda

np. Ni-YSZ, Ni- GDC

 aktywność katalityczna na granicy faz

 przewodnictwo jonowo-elektronowe

 adhezja

 porowatość

 dopasowanie współczynników rozszerzalności termicznej Ogniwa SOFC są jedną z najbardziej obiecujących grup ogniw, ze względu na możliwość łączenia pojedynczych ogniw w stosy i nadawanie im różnorodnych kształtów. Daje to największą możliwą do uzyskania moc w porównaniu z innymi typami ogniw. Dodatkowo są one łatwe w budowie, tanie w eksploatacji i odporne na zniszczenia powstałe w czasie pracy.

Ogniwa paliwowe mogą być użyte jako przydomowe generatory prądu, systemy UPS podtrzymujące napięcie w komputerach, jako awaryjne generatory prądu w szpitalach, jak również zasilać sygnalizację świetlną na skrzyżowaniach oraz stanowić niezależne elektrownie.

3.2. PEMFC – ogniwa paliwowe z membraną polimerową

W tym ogniwach typu PEMFC elektrolitem jest membrana polimerowa, która transportuje protony z anody na katodę (schemat na rysunku 5). Bardzo dobrym przewodnikiem jest Nafion – polimer, który ma za zadanie działać jako sito protonów. Transport protonów przez membranę uwarunkowany jest natomiast jej wilgotnością.

Jako elektrody stosuje się metale o niskim stopniu korozji np.: Al, Cu, C czy stal nierdzewna, które od zewnętrznej strony pokrywane są platyną pracującą jako katalizator. Same elektrody to blacha powyginana w harmonijkę albo z wyrytymi kanałami, lub po prostu siatka o drobnych oczkach.

Elektrody, stykające się poprzez cienką warstwę katalizatora z membraną polimerową, spełniają kilka funkcji: odprowadzają prąd elektryczny przepływający przez ogniwo do obwodu zewnętrznego, służą do równomiernej dystrybucji gazów doprowadzanych do całej czynnej powierzchni membrany, za ich pośrednictwem następuje odprowadzenie wody wytwarzanej na styku katody z membraną na zewnątrz ogniwa. Aby spełnić te funkcje, mają przeważnie strukturę kilkuwarstwową.

Najważniejsze cechy ogniw paliwowych typu PEMFC to odporność chemiczna, wytrzymałość mechaniczna, łatwość wytwarzania cienkich warstw, możliwość absorpcji dużych ilości wody, łatwy transport jonów H⁺, odwodnienie i spadek przewodnictwa protonowego przy wzroście temperatury pracy powyżej 100°C.

Do zalet ogniwa PEMF należą duża sprawność w produkcji energii elektrycznej – do 65%, mała ilość wydzielanego ciepła, dobra nadążność ogniwa w systemach poddawanych zmiennym obciążeniom, krótki czas rozruchu, wysoka gęstość mocy, prostota budowy oraz niska temperatura pracy. Jednakże konieczność zastosowanie metali szlachetnych, takich jak platyna Pt czy ruten Ru, w elektrodach oraz konieczność zasilania ogniwa wodorem o wysokiej czystości stanowią poważne wady.

Ogniwa PEMFC znajdują zastosowanie zarówno w urządzeniach przenośnych, niewielkich, jak i w większych generatorach mocy. Dobrze sprawdzają się jako konwertory energii w układach wszelkiego rodzaju, od elektronicznych urządzeń przenośnych, poprzez środki lokomocji, aż do

(10)

elektrowni. Stosuje się je do zasilania samochodów, telefonów komórkowych oraz przenośnych wideokamer i komputerów.

utlenianie wodoru na anodzie:

𝐻_2(𝑔)= 2𝐻⁺+ 2𝑒⁻

redukcja tlenu na katodzie:

1

2𝑂_2(𝑔)+ 2𝐻⁺+ 2𝑒⁻= 𝐻₂𝑂 reakcja sumaryczna:

𝐻_2(𝑔)+1

2𝑂_2(𝑔) = 𝐻₂𝑂

Rysunek 5. Schemat budowy ogniwa paliwowego typu PEMFC wraz z zachodzącymi w nim reakcjami.

(11)

4. Opisy wykonania ćwiczeń

UWAGA: Wszystkie obliczenia należy zawrzeć w sprawozdaniu!

4.1. Elektroliza wody

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasadą działania ogniwa paliwowego i elektrolizera.

Do wykonania ćwiczenia potrzebne są: moduł solarny, elektrolizer, ogniwo paliwowe, moduł pomiarowy, kable, 2 długie rurki, 2 krótkie rurki, 2 korki (bez dziurki), 2 tuby, woda destylowana, źródło światła.

Schemat 1

Opis wykonania ćwiczenia

1. Złożyć układ zgodnie ze schematem 1a, sprawdzić podłączenie kabli, włączyć moduł pomiarowy i ustawić pokrętło w pozycji „OPEN”.

2. Cylindry elektrolizera zamknąć silikonowymi korkami, uzupełnić je wodą destylowaną do poziomu 0 ml, założyć tuby.

3. Źródło światła ustawić w odległości ok. 5 cm od modułu solarnego. Światło powinno padać na moduł solarny prostopadle do jego powierzchni. Włączyć źródło światła i skierować je na moduł solarny.

4. Odczekać 5 min, aż układ oczyści się a gazy znajdujące się w elektrolizerze zostaną uwolnione.

5. Ustawić pokrętło na module pomiarowy na 3 Ω i odczekać kolejne 3 min.

6. Po wyznaczonym czasie ponownie przełączyć moduł pomiarowy na „OPEN” i odczekać 3 min.

7. Wyłączyć światło, zatkać korkami rurki odpływu przy ogniwie (1b) i włączyć światło. Poczekać aż cylinder wodoru wypełni się gazem do poziomu 5 ml, odciąć źródło światła i odczytać objętość tlenu zgromadzonego w tym samym czasie.

8. Ustawić pokrętło na module pomiarowym na 10 Ω – przepływający prąd oraz ogniwo wykorzystują zgromadzony wodór.

9. Gdy poziom wodoru w cylindrze osiągnie ponownie wartość 0 ml, odłączyć ogniwo paliwowe i przestawić pokrętło na module pomiarowy na „OPEN” oraz odczytać objętość zgromadzonego tlenu.

10. Wyniki pomiarów zebrać w poniższych tabelach.

(12)

Rozkład wody:

objętość poziom „0” / startowy poziom „1” / końcowy VH2 [cm³]

VO2 [cm³] Zużycie wodoru:

objętość poziom „1” / startowy poziom „0” / końcowy VH2 [cm³]

VO2 [cm³]

Zagadnienia do opracowania w sprawozdaniu

1. Wyjaśnić cel eksperymentu, pojęcia utlenianie i redukcja.

2. Podać, wraz z równaniami reakcji, jakie procesy zachodzą na poszczególnych elektrodach.

3. Wyjaśnić, jakie procesy obserwowane są podczas eksperymentu.

4. Wyjaśnić, z czego biorą się różnice w objętości w procesie elektrolizy (reakcja w dwie strony), jeżeli takie występują.

5. Obliczyć jaka objętość wodoru powstanie w procesie elektrolizy 5 cm³ wody oraz jaki procent w 5 cm³ stanowi ubytek wody.

(13)

4.2. Wyznaczanie liczby Avogadro

Celem ćwiczenia jest eksperymentalne wyznaczenie liczby Avogadro metodami elektrolitycznymi.

Do wykonania ćwiczenia potrzebne są: moduł solarny, moduł pomiarowy, elektrolizer, kable, krótka rurka, korek, 2 tuby, woda destylowana, stoper, źródło światła.

Schemat 2

1. Złożyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem 2a, sprawdzić podłączenie kabli.

3. Źródło światła ustawić w odległości ok. 5 cm od modułu solarnego.

4. Ustawić pokrętło na module pomiarowym na „SHORT CIRCUIT” i włączyć moduł pomiarowy.

5. Zatkać krótką rurkę korkiem (2b). Włączyć źródło światła i skierować je na moduł solarny. Światło powinno padać na moduł solarny prostopadle do jego powierzchni.

6. Zmierzyć czas potrzebny do zgromadzenia 4 ml wodoru oraz wartość natężenia prądu. Jeśli wartości zmieniają się w trakcie produkcji wodoru, wziąć wartość średnią.

7. Uwolnić nagromadzony wodór wyciągając korek z rurki.

8. Pomiary wykonać 3 razy (kroki 4-7).

9. Wyniki zebrać w tabeli.

natężenie prądu, I [A] czas, t [s] ładunek, q [C]

pomiar 1 pomiar 2 pomiar 3

1. Wyznaczyć średni ładunek potrzebny w warunkach normalnych do uwolnienia: a) 10 cm³ H2, b) 24 cm³.

2. Obliczyć,ile ładunku jest potrzebne do uwolnienia 1 mola wodoru.

3. Wyznaczyć liczbę elektronów w 1 molu elektronów, a tym samym stałą Avogadro. Skomentować otrzymany wynik.

Niezbędne dane: ładunek = prąd ∙ czas; ładunek elektronu e = 1,60∙10^-19 [C]

(14)

4.3. I prawo Faraday’a

Celem ćwiczenia jest praktyczne wykorzystanie pierwszego prawa Faraday’a oraz określenie wydajności elektrolizera.

Do wykonania ćwiczenia potrzebne są: moduł solarny, elektrolizer, moduł pomiarowy, kable, krótka rurka, korek, tuba, woda destylowana, stoper, źródło światła.

Schemat 3

1. Złożyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem 3a, sprawdzić podłączenie kabli

3. Źródło światła ustawić w odległości ok. 5 cm od modułu solarnego. Światło powinno padać na moduł solarny prostopadle do jego powierzchni.

4. Ustawić pokrętło na module pomiarowym na „SHORT CIRCUIT”, włączyć moduł pomiarowy.

5. Zatkać wylot wodoru (3b), włączyć źródło światła i równocześnie włączyć stoper.

6. W czasie reakcji gromadzony będzie wodór. W odcinkach 120 sekundowych należy zmierzyć napięcie i natężenie prądu oraz poziom wodoru.

7. Wyniki zebrać w tabeli.

czas, t [s] natężenie, I mA] napięcie, U [V] objętość, VH2 cm³] pomiar 1

pomiar 2 pomiar 3

Volśrednia= Zagadnienia do opracowania w sprawozdaniu

W oparciu o wyznaczoną doświadczalnie objętość wodoru wyznaczyć wydajność Faraday’a oraz obliczyć wydajność energetyczną elektrolizera. Skomentować otrzymane wyniki.

Niezbędne dane: ΔH(H) = -286 kJ/mol

(15)

4.4. Krzywe charakterystyczne ogniwa paliwowego

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie krzywych charakteryzujących pracę ogniwa paliwowego.

Do wykonania ćwiczenia potrzebne są: moduł solarny, elektrolizer, ogniwo paliwowe, moduł pomiarowy, kable, 2 krótkie rurki, 2 długie rurki, 2 korki, tuby, woda destylowana, stoper, źródło światła.

Schemat 4a

Schemat 4b

4. Ustawić pokrętło na module pomiarowym na „OPEN” i włączyć moduł pomiarowy

5. Włączyć źródło światła i skierować je na moduł solarny, poczekać 5 min na odgazowanie układu.

(16)

6. Ustawić pokrętło na module pomiarowym na 3 Ω i odczekać 3 min, po czym z powrotem ustawić pokrętło na „OPEN” na 3 min.

7. Zamknąć korkami odpływy gazowe (4b).

8. Odłączyć moduł solarny gdy zgromadzony wodór osiągnie objętość 8 ml.

9. Podłączyć woltomierz zgodnie ze schematem 4b.

10. Zapisywać wyniki pomiaru zmieniając obciążenie na module pomiarowym poczynając od pozycji

„OPEN” w prawo, dla każdej rezystancji odczekać 30 sekund .

11. Po skończeniu pomiarów, powrócić na pozycję „OPEN” i odkorkować odpływy gazów.

rezystancja, R [Ω] napięcie, U [V] natężenie, I [mA]

OPEN 200 100 50 10 3 1

Narysować krzywe zależności napięcie-natężenie i moc-natężenie, oraz je scharakteryzować.

(17)

4.5. Wykorzystanie I prawa Faraday’a w ogniwie paliwowym

Celem ćwiczenia jest poznanie zależności prądowo-napięciowych, na których oparta jest zasada działania ogniwa

Do wykonania ćwiczenia potrzebne są: moduł solarny, elektrolizer, ogniwo paliwowe, moduł pomiarowy, kable, 2 krótkie rurki, 2 długie rurki, 2 korki, 2 tuby, woda destylowana, stoper, źródło światła.

Schemat 5

4. Ustawić pokrętło na module pomiarowym na „OPEN” i włączyć moduł.

5. Włączyć źródło światła i skierować je na moduł solarny, poczekać na 5 min na oczyszczenie układu.

6. Ustawić na module pomiarowym 3 Ω i odczekać 3 min

7. Po wyznaczonym czasie ponownie przełączyć moduł pomiarowy na „OPEN”, odczekać 3 min i zamknąć korkami odpływu gazowe (5b).

8. Kiedy wodór wypełni cylinder do 5 ml należy odłączyć moduł solarny i włączyć stoper. Po czasie 5 min należy zmierzyć ubytek wodoru, ponieważ w każdym układzie są wycieki wodoru.

9. Włączyć źródło światła i ponownie zgromadź 5 ml wodoru.

10. Wyłączyć źródło światła i odłączyć moduł solarny.

11. Na module pomiarowym ustawić 3Ω, zapisywać zużycie wodoru przez ogniwo paliwowe co 120 s przez 8 minuty.

12. Przełączyć moduł pomiarowy na „OPEN” i ponownie zgromadzić 5 ml wodoru.

13. Wyłączyć źródło światła. Na module pomiarowym ustawić rezystancję na 10 Ω i po 2 minutach odczytać objętość wodoru zużytą przez ogniwo. Przełączyć moduł pomiarowy na „OPEN” i zgromadzić wodór do objętości 5 ml. Powtórzyć pomiary dla rezystancji 5, 3 i 1 Ω.

14. Po ostatnim pomiarze przełączyć pokrętło na module pomiarowy na „OPEN” i odkorkować odpływy gazowe.

15. Poprawić wyniki o wskaźnik ubytku wodoru.

16. Wyniki pomiarów zebrać w poniższej tabeli.

(18)

Ubytek wodoru

Objętość ubytku wodoru po 5 min Wskaźnik ubytku wodoru [cm³/min]

Pierwsza część prawa Faraday’a

czas, [s] objętość, VH2 [cm³] objętość VH2 (poprawiona) [cm³] 60

120 180 240 Druga część prawa Faraday’a

opór, R [Ω] natężenie, I [mA]

napięcie, V [V]

objętość, VH2 [cm³]

objętość, VH2

(poprawiona) [cm³] 10

3 1

1. Obliczyć wskaźnik ubytku wodoru w cm³/min, w oparciu o otrzymany wynik skorygować wyniki pomiarów o wskaźnik ubytku H2.

2. Narysować krzywą ubytku wodoru.

3. Przeanalizować relację pomiędzy objętością zużytego wodoru a natężeniem prądu (I prawo Faraday’a).

(19)

4.6. Ogniwo zasilane metanolem

Celem ćwiczenia jest poznanie zależności, na których oparta jest zasada działania ogniwa metanolowego.

Do wykonania ćwiczenia potrzebne są: metanolowe ogniwo paliwowe, metanol o stężeniu 0,25 M, 0,5 M i 1 M, moduł pomiarowy, kable, korki (z dziurką).

Schemat 6

1. Złożyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem 6, ustawić pokrętło na module pomiarowym na

„OPEN”.

2. Uzupełnić ogniwo metanolem o stężeniu 0,25 M, upewnić się, że nie ma żadnych zamkniętych pęcherzyków powietrza, zakorkować ogniwo.

3. Odczekać 5-10 min na otwartym obwodzie.

4. Ustawić pokrętło na module pomiarowym na 3 Ω i odczekać 2 min.

5. Przestawić pokrętło na module pomiarowym na „OPEN”, odczekać kolejne 2 minuty.

6. Pokrętłem na module pomiarowym przestawiać wartość rezystancji co 60 s (czas potrzebny na stabilizację ogniwa), poczynając od pozycji „OPEN”, następnie od 1 Ω do 200 Ω. Dla każdej wartości oporu odczytać napięcie oraz natężenie prądu.

7. Po zakończeniu ćwiczenia ustawić pokrętło modułu pomiarowego na „OPEN”.

8. Powtórzyć pomiary dla pozostałych stężeń metanolu.

9. Wyniki pomiarów zebrać w tabeli.

(20)

rezystancja, R [Ω]

0,25 M 0,5 M 1 M

napięcie, V [V]

natężenie, I [mA]

napięcie, V [V]

natężenie, I [mA]

napięcie, V [V]

natężenie, I [mA]

OPEN 200 100 50 10 3 1

1. Zapisać równania reakcji zachodzących na elektrodach.

2. Narysować charakterystyki napięcie-natężenie i moc-natężenie dla wszystkich stężeń metanolu (2 wykresy zbiorcze) oraz zinterpretować wyniki – jeśli pojawią się jakieś różnice należy wyjaśnić z czego wynikają.

3. Jeśli wykonywane było ćwiczenie 4.4:

Porównać ogniwo metanolowe z ogniwem paliwowym (krzywe mocy, uzyskiwane napięcia i natężenia prądu; łatwość/trudność użycia ogniwa).

W oparciu o otrzymane wyniki oraz dostępną wiedzę, napisać i uzasadnić, które ogniwo jest lepsze i dlaczego.

(21)

4.7. Ogniwo zasilane etanolem

Celem ćwiczenia jest poznanie zależności, na których oparta jest zasada działania ogniwa zasilanego etanolem.

Do wykonania ćwiczenia potrzebne są: etanolowe ogniwo paliwowe, etanol o stężeniach: 5, 8, 10, 13 oraz 15%, moduł pomiarowy, kable, strzykawka, zbiornik na etanol, cylinder, wiatrak, rurki silikonowe, papierek uniwersalny.

Schemat 7

1. Złożyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem 7. Zamknąć rurkę przepływową przy pomocy klipsu.

2. Uzupełnić zbiornik etanolem o stężeniu 5% (60 ml), a następnie zakorkować.

3. Otworzyć klips, w momencie zapełnienia komórki etanolowej alkoholem nadmiarowa jego ilość będzie wyciekać rurką odpływową, należy wówczas ponownie zamknąć klips i odczekać od 5 do 10 min, aż wiatrak zacznie się poruszać.

4. Przepnij układ zasilający wiatrak do modułu pomiarowego i odczytaj wartości napięcia i natężenia.

5. Odetkaj rurkę wylotową i nanieś kroplę zużytego alkoholu, zanotuj zmianę barwy.

6. Pomiary powtórzyć dla pozostałych stężeń etanolu. UWAGA! Przed każdorazową zmianą alkoholu przepłucz komórkę analizowanym alkoholem.

Stężenie roztworu napięcie, V [V] natężenie, V [V] barwa papierka (pH) 5

8 10 13 15 białe wino

1. Zapisać równania reakcji zachodzących na elektrodach.

2. Narysować charakterystyki stężenie napięcie i moc-natężenie dla wszystkich stężeń etanolu (2 wykresy zbiorcze) oraz zinterpretować wyniki – jeśli pojawią się jakieś różnice należy wyjaśnić z czego wynikają.

(22)

3. Wyjaśnić zmianę barwy papierka uniwersalnego odpowiednimi reakcjami chemicznymi.

Porównać ogniwo etanolowe z ogniwem metanolowym (krzywe mocy, uzyskiwane napięcia i natężenia prądu; łatwość/trudność użycia ogniwa).

Porównać ogniwo etanolowe z ogniwem paliwowym (krzywe mocy, uzyskiwane napięcia i natężenia prądu; łatwość/trudność użycia ogniwa).

6. Jeśli wykonywane było ćwiczenie 4.4 oraz 4.7:

Porównać ogniwo etanolowe z ogniwem metanolowym i paliwowym (krzywe mocy, uzyskiwane napięcia i natężenia prądu; łatwość/trudność użycia ogniwa).

(23)

4.8. Wpływ temperatury na wydajność ogniwa z etanolem

Celem ćwiczenia jest poznanie określenie efektywności pracy ogniwa etanolowego od temperatury.

Do wykonania ćwiczenia potrzebne są: etanolowe ogniwo paliwowe, etanol o stężeniach: 5, 10 oraz 15%, moduł pomiarowy, kable, strzykawka, zbiornik na etanol, cylinder, wiatrak, rurki silikonowe, termometr, suszarka.

1. Złożyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem 7. Zamknąć rurkę przepływową przy pomocy klipsu.

2. Uzupełnić zbiornik etanolem o stężeniu 5% (60 ml), włożyć termometr i odczytać temperaturę roztworu.

3. Otworzyć klips, w momencie zapełnienia komórki etanolowej alkoholem nadmiarowa jego ilość będzie wyciekać rurką odpływową, należy wówczas ponownie zamknąć klips i odczekać od 5 do 10 min, aż wiatrak zacznie się poruszać.

4. Przepnij układ zasilający wiatrak do modułu pomiarowego i odczytaj wartości napięcia i natężenia.

5. Przy użyciu suszarki podgrzej zbiornik z etanolem o 5 stopni, a następnie uzupełnij komórkę podgrzanym roztworem.

6. Dokonaj pomiaru wartości napięcia prądu.

7. Proces powtarzaj co 5 °C w zakresie do max.60°C

8. Pomiary powtórzyć dla pozostałych stężeń etanolu. UWAGA! Przed każdorazową zmianą alkoholu przepłucz komórkę analizowanym alkoholem.

Temperatura, T [°C]

Stężenie roztworu

5% 10% 15%

napięcie, V [V] napięcie, V [V] napięcie, V [V]

1. Narysować charakterystyki temperatura-napięcie dla wszystkich stężeń etanolu (3 wykresy zbiorcze) w oraz zinterpretować wyniki – jeśli pojawią się jakieś różnice należy wyjaśnić z czego wynikają.

(24)

4.9. Wykorzystanie procesu elektrolizy wody do zasilania urządzeń – samochodzik Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasadą działania ogniwa paliwowego i elektrolizera.

Do wykonania ćwiczenia potrzebne są: moduł solarny, ogniwo paliwowe, zbiorniki na wodór i tlen, silikonowe wężyki, kable zasilające, źródło światła: (a) białego: zimnego, ciepłego, o mocy 1521 LM, 2000 LM, (b) zielonego, samochodzik.

Schemat 8

1. Złożyć układ zgodnie ze schematem 8, nie podłączając rurek silikonowych od elektrolizera do modułu paliwowego, sprawdzić podłączenie kabli.

2. Źródło światła ustawić w odległości ok. 5 cm od modułu solarnego. Włączyć źródło światła i skierować je na moduł solarny.

3. Odczekać 5 min, aż układ oczyści się a gazy znajdujące się w elektrolizerze zostaną uwolnione.

4. Wyłączyć światło, podłączyć rurki silikonowe od elektrolizera do modułu paliwowego

5. Włączyć światło. Poczekać aż cylinder wodoru wypełni się gazem do poziomu 20 ml, odciąć źródło światła i odczytać objętość tlenu zgromadzonego w tym samym czasie.

6. Odłączyć moduł solarny, a następnie podłączyć silnik samochodzika i zmierzyć czas jego pracy.

7. Wyniki pomiarów zebrać w poniższych tabelach.

Źródło światła parametry białe zimne

1521 LM

białe ciepłe 1521 LM

białe zimne 2000 LM

zielone 1521 LM tładowania [min]

trozładowania [min]

VH2 [cm³] VO2 [cm³]

Zagadnienia do opracowania w sprawozdaniu 1. Wyjaśnić cel eksperymentu.

2. Podać, wraz z równaniami reakcji, jakie procesy zachodzą na poszczególnych elektrodach.

3. Wyjaśnić, jakie procesy obserwowane są podczas eksperymentu.

4. Wyjaśnić, z czego biorą się różnice w czasie gromadzenia wodoru oraz w objętości gazów w procesie elektrolizy, jeżeli takie występują.