background image

 

Temat ćwiczenia: 

Ogniwa metanolowo – powietrzne i etanolowo - powietrzne  

Konspekt 

 

Ćwiczenie 

 

nr 4 

Wydział, rok: 
Grupa: 
nr zespołu: 

Data wykonania 
ćwiczenia: 

 
 

Ocena 

Nazwisko i imię 

Odpowiedź:  

Wykonanie ćwiczenia: 

Końcowa:  

1. 

 

 

 

2. 

 

 

 

Główne elementy układu: 

1. 

Dwa ogniwa paliwowe metanolowo – powietrzne; 

2. 

Ogniwo paliwowe etanolowo – powietrzne w zestawie z odbiornikiem energii w postaci silnika ze śmigłem 

3. 

zestaw indykatorów – papierków lakmusowych oraz skala ph 

4. 

Zestaw przewodów; 

5. 

Dwa multimetry; 

6. 

Odbiornik z możliwością regulacji rezystancji; 

7. 

metanol 3% (mas.) 

8. 

miernik temperatury wraz z czujnikiem 

9. 

suszarka

 

 

1.  Wprowadzenie 

 

Ogniwa  metanolowo  –  powietrzne  (DMFC:  Direct  -  Methanol  Fuel  Cell),  będące 

przedmiotem  niniejszego  ćwiczenia,  należą  do  ogniw  polimerowych.  To  ostatnie  określenie 
stanowi  swego  rodzaju  skrót  myślowy.  Ściślej  mówiąc,  ogniwa  paliwowe  polimerowe 
posiadają  polimerową  membranę,  umieszczoną  pomiędzy  elektrodami,  na  których 
powierzchni  zachodzą  reakcje  utleniania  i  redukcji,  warunkujące  wystąpienie  siły 
elektromotorycznej. 

Obecnie  najpopularniejszym  typem  z  w/w  grupy  jest  ogniwo  zasilane  wodorem.  W 

tym przypadku polimerowa membrana – elektrolit, stanowi barierę między anodą i katodą, w 
obrębie  której  odbywa  się  transport  protonów.  Źródłem  kationów  jest  reakcja  utleniania 
przebiegająca  na  anodzie(-).  Uwolnione  w  jej  wyniku  elektrony  przepływają  przez  obwód 
zewnętrzny  do  katody,  gdzie  następuje  redukcja  tlenu  i  powstawanie,  z  udziałem 
przemieszczających się przez membranę protonów, końcowego produktu reakcji – wody. 

Ogniwo  badane  w  niniejszym  ćwiczeniu  jest  podobne  do opisanego  powyżej,  jednak 

tu  paliwem  umożliwiającym  generację  energii  elektrycznej  jest  roztwór  metanolu.  Reakcje 
elektrodowe przebiegają właściwie przy udziale cząsteczek tlenu, wody i metanolu.  
 

 

Rys. 1. Schemat ogniwa DMFC.

 

Na katodzie z otoczenia zostają zaabsorbowane cząsteczki tlenu, na anodzie natomiast 

cząsteczki  metanolu  i  wody  z  dostarczonego  paliwa.  Tlen  podlega  procesowi  jonizacji, 

background image

 

podczas gdy na anodzie dochodzi do rozpadu wody i alkoholu metylowego. Protony powstałe 
na elektrodzie ujemnej przemieszczają się przez polimerową membranę na katodę (jony CO

2+

 

i  O

2-

  migrują  wzdłuż  anody),  gdzie  następuje  rekombinacja  jonów  do  cząsteczek  wody. 

Naturalnie produktem wydzielającym się na anodzie jest dwutlenek węgla.  

Reakcje elektrodowe przebiegają jak poniżej: 

 
na anodzie:    

CH

3

OH + H

2

O  CO

2

+ 6H

+

 + 6e

-

  (1) 

 
na katodzie:    

1,5O

2

 + 6H

+

 +6 e

-

  3H

2

O   

(2) 

 
sumarycznie:   

 CH

3

 OH + 1,5O

2

  CO

2

 + 2H

2

(3) 

 

Teoretyczna ilość energii elektrycznej, jaką możemy uzyskać wykorzystując ogniwo 

paliwowe metanolowo – powietrzne to 5 kWh/dm

3

. Oczywiście praktyczne osiągnięcie takich 

wartości nie jest możliwe ze względu na ograniczone sprawności ogniw DMFC dochodzące 
do ok. 35%. 
 

Ogniwo paliwowe, do zasilenia którego wykorzystuje się etanol jest zbudowane 

dokładnie tak samo jak omówione powyżej. Można zauważyć także wyraźną analogię 
zachodzących w czasie pracy ogniwa reakcji utleniania – redukcji: 
 
na anodzie: 

 

C

2

H

5

OH  CH

3

CHO + 2H

+

 + 2e

-

   

 

(4) 

 

 

 

C

2

H

5

OH + H

2

O  CH

3

COOH + 4H

+

 + 4e

-

   

(5) 

 

 

 

C

2

H

5

OH + 3H

2

O  2CO

2

 + 12H

+

 + 12e

-

 

 

(6) 

 
Na katodzie:    

4H

+

 + 4e

-

 + O

2

  2H

2

 

 

 

(7) 

 
 

Produkty  uzyskiwane  w  wyniku  reakcji  na  anodzie  są  wynikiem  niezupełnego 

utlenienia  alkoholu  etylowego.  Łatwo  zauważyć,  że  w  wyniku  pracy  ogniwa  środowisko 
w przestrzeni reakcyjnej anody zakwasza się.  
 
Wykonanie ćwiczenia 
 

1.1. Ustalenie wartości napięcia spoczynkowego ogniw 

 

a)  Do napełniania/opróżniania ogniwa służą otworki, na rys. 2 oznaczone literą „A”. 

Sprawdź czy w ogniwach nie ma resztek wody pozostałych po poprzednim 
eksperymencie. Jeżeli tak usuń wodę strzykawką lub plastikową butelką (poprzez 
przepłukanie powietrzem lub wyssanie wody). 

 

background image

 

 

Rys. 2.  

 
 

b)  Napełnij zbiorniczki dwóch ogniw 3% roztworem metanolu, zgodnie z rys. 3. 

 

 

Rys. 3.  

 
c)  Dołącz do obu ogniw multimetry, ustaw odpowiednie zakresy napięcia stałego. 
d)  Wykonuj pomiary co 30s dla obu ogniw paliwowych, do czasu, kiedy kolejne 5 

pomiarów będzie różnić się nie więcej niż wartość rzędu 0,005V. 

e)  Wyniki notuj w tabeli 1. 
 
Opracowanie wyników: 
a)  Na wykresie U = f(t) przedstaw przebieg krzywych napięcia dla obu badanych ogniw. 
b)  Na podstawie ustabilizowanych wartości napięcia określ wartość napięcia 

spoczynkowego badanych ogniw (oblicz średnią wartość z tych pomiarów). 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

Tabela 1. Ustalenie wartości napięcia spoczynkowego ogniw paliwowych DMFC. 

Czas [.....] 

Napięcie [.....] 

 

Ogniwo 1 

Ogniwo 2 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

sp

 : 

 

 

background image

 

1.2. Wyznaczenie krzywej mocy ogniw paliwowych DMFC w różnych układach 

pracy 

 

a)  Opróżnij  zbiorniczki  ogniw  –  paliwo  wlej  do  słoika  znajdującego  się  w  zlewie, 

onaczonego etykietą „zlewki metanolu”. 

b)   Przepłukaj  wnętrze  ogniw  wodą  destylowaną  a  następnie  przedmuchaj  powietrzem 

(z wykorzystaniem plastikowej butelki lub strzykawki). 

c)  Napełnij  ogniwa  świeżym  roztworem  metanolu  i  podłącz  je  do  woltomierzy  tak, 

jak w części 1.1. 

d)  Obserwuj przyrost napięcia do czasu ustabilizowania się jego wartości (ok. 5 minut). 
e)  Zanotuj  stabilne  wartości  napięć  (porównaj  je  z  napięciem  spoczynkowym 

zmierzonym  w  części  1.1.,  uwagi  uwzględnij  przy  opracowaniu  wniosków 
z ćwiczenia). 

f)  Połącz układ pomiarowy zgodnie z rysunkiem 4a.  

 

 

Rys. 4. Układy pomiarowe do badania zależności mocy od natężenia prądu dla ogniw 

pracujących w konfiguracji szeregowej (a) i równoległej (b).   

 

g)  Dla kolejnych wartości rezystancji odczytuj wartości napięcia i natężenia prądu. Po 

zmianie rezystancji każdorazowo odczekaj ok. pół minuty zanim dokonasz odczytów. 

h)  Wyniki zapisuj w tabeli 2. 
i)  Po zakończeniu pomiarów rozłącz układ i dla schematu z rys. 4b postępuj zgodnie z 

punktami f – h. 

j)  Zużyte paliwo wlej do słoika znajdującego się w zlewie, onaczonego etykietą „zlewki 

metanolu”. 

 

Opracowanie wyników: 

a)  Na podstawie danych z tabeli 2 oblicz moc dla zadanych obciążeń. 
b)  Wykreśl krzywe zależności P = f(I) dla konfiguracji szeregowej i równoległej 

połączenia ogniw w jednym układzie współrzędnych. 

c)  Porównaj krzywe, uwagi uwzględnij podczas opracowania wniosków z ćwiczenia. 

 
 

 

 

a) 

b) 

background image

 

Tab. 2. Dane pomiarowe - wyznaczenie charakterystyk P = f(I) 

Połączenie ogniw szeregowe 

 

Połączenie ogniw rónoległe 

U [.....] 

 

I [.....] 

P [.....] 

U [.....] 

 

I [.....] 

P [.....] 

 
 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

1.3. Badanie wpływu warunków zewnętrznych na efektywność pracy ogniwa 

zasilanego etanolem.  

 

a)  Do zbiorniczka zestawu ogniwa zasilanego etanolem (rys. 5. a) nalej trochę wody 

destylowanej (ok. 1/3 objętości). Ustaw wylot wężyka tak, by krople wody mogły 
kapać do podstawionego naczynia lub zlewu, otwórz zaworek przesuwając 
przełącznik w prawo (rys. 5. b) i przepłukuj wodą układ przez ok. 2 minuty. 

 

 

 

Rys. 5. Zestaw ogniwa zasilanego etanolem wraz z odbiornikiem energii. 

a)  

b)  

background image

 

b)  Wylej resztę wody i jeszcze przez chwilę zostaw zaworek w pozycji otwartej, by 

resztki wody mogły zostać usunięte z układu. Następnie zamknij zaworek 

c)  Napełnij zbiorniczek 60 ml 10% roztworu etanolu.  
d)  Dołącz do wyprowadzeń elektrycznych ogniwa woltomierz (silniczek ze śmigłem 

odłączony). Przez 5 minut co 30s odczytuj wartość wskazywanego przez miernik 
napięcia. Wyniki zapisuj w tabeli 3. 

 

Tab. 3.  

T [.....] 

U [.....] 

 
 

 

 
 

 

 
 

 

 
 

 

 
 

 

 
 

 

 
 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

e)  Porównaj  zmiany  napięcia  z  odczytami  z  części  1.1.  ćwiczenia  –  komentarz 

uwzględnij we wnioskach. 

f)  Dołącz  do  ogniwa  odbiornik  w  postaci  silniczka  ze  śmigłem.  Przez  5  min,  co  30s 

zapisuj w tabeli 4 wartość napięcia dla ogniwa pracującego pod obciążeniem. 

g)  Po  upływie  5  minut  poproś  prowadzącego  o  pomoc  w  zamontowaniu  czujnika 

temperatury na mierzonym ogniwie. 

h)  Ogrzewaj ogniwo suszarką (sprawdź dłonią, czy suszarka nie znajduje się zbyt blisko 

ogniwa  –  ogrzewanie  nie  może  być  zbyt  gwałtowne)  do  osiągnięcia  przez  nie 
temperatury  55ºC.  W  tym  czasie,  co  1K  odczytuj  wartość  napięcia.  Dane  zapisuj  w 
tabeli 5. 

i)  Po osiągnięciu maksymalnej temperatury zakończ ogrzewanie, dokonaj jeszcze ok. 10 

pomiarów podczas stygnięcia ogniwa. 

j)  Otwórz zaworek spustowy i pozwól, by kilka kropel roztworu spadło do podłożonego 

naczynia,  następnie  nasącz  zużytym  paliwem  papierek  lakmusowy.  Drugi  koniec 
papierka zanurz w roztworze znajdującym się w zbiorniczku paliwa. Porównaj barwę 
końców papierka (użyj także skali pH), uwagi uwzględnij we wnioskach. 

 
Opracowanie wyników: 

a)  Sporządź wykres dla danych zawartych w tabeli 3.  
b)  Sporządź wykres zależności U = f(t) dla ogniwa pracującego pod obciążeniem. 

background image

 

c)  Sporządź wykres zależności U = f(T) 
d)  Oszacuj pH zużytego paliwa. 

 
 

Tab. 4. Napięcie ogniwa zasilanego etanolem pracującego pod obciążeniem 

T [.....] 

U [.....] 

 
 

 

 
 

 

 
 

 

 
 

 

 
 

 

 
 

 

 
 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

Tab. 5. Napięcie ogniwa zasilanego etanolem pracującego pod obciążeniem  

w zależności od temperatury 

T [ºC] 

U [.....] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image