h_tec_ogniwa_paliwowe

. Ogniwa paliwowe - podstawy technologii .......................................................................2

Cykl energetyczny słoneczno- wodorowy .....................................................................2

1.2. Energia słoneczna..................................................................................................3

1.2. Elektrolizery PEM (z elektrolitem z membrany polimerowej) .................................6

1.4. Magazynowanie wodoru.........................................................................................7

1.5. Historia technologii ogniw paliwowych ...................................................................8

1.6. Typy ogniw paliwowych..........................................................................................8

1.7. Ogniwa paliwowe PEM.........................................................................................11

1.8. Bateria ogniw paliwowych ....................................................................................12

1.9. Bezpo

rednie metanolowe ogniwo paliwowe ...................................................12

1.10. Zastosowania przeno

ne................................................................................13

1.11. Zastosowania ruchome...................................................................................13

1.12. Zastosowania stacjonarne ..............................................................................14

2.1. Charakterystyka pr

dowo-napi

ciowa, krzywa mocy i sprawno

ść

modułu

słonecznego ....................................................................................................................16

2.2. Charakterystyka pr

dowo-napi

ciowa elektrolizera PEM.................................20

2.3. Sprawno

ść

energetyczna i sprawno

ść

Faradaya elektrolizera PEM ................23

2.4. Charakterystyka napi

ciowo-pr

dowa i krzywa mocy ogniwa paliwowego PEM

........................................................................................................................................27

2.5. Sprawno

ść

energetyczna i sprawno

ść

Faradaya ogniwa paliwowego PEM ....31

2.6. Charakterystyki pr

dowo napi

ciowe bezpo

redniego ogniwa metanolowego

(DMFC) ...........................................................................................................................36

Arkusze

wicze

.............................................................................................................40

3.1 Informacje do pracy ...........................................................................................41

3.1.1. Cykl energetyczny słoneczno-wodorowy .......................................................41

3.1.2. Wodór ............................................................................................................42

3.1.3. Ogniwa paliwowe...........................................................................................44

3.1.4. Elektrolizer .....................................................................................................45

3.2. Rozwi

zania arkuszy studenckich ....................................................................47

3.2.1. Cykl energetyczny słoneczno-wodorowy .......................................................47

3.2.2. Wodór ............................................................................................................48

3.2.3. Ogniwa paliwowe...........................................................................................49

3.2.4. Elektrolizery ...................................................................................................50

. Ogniwa paliwowe - podstawy

technologii

Cykl energetyczny słoneczno- wodorowy

Zmniejszaj

ce si

zasoby surowców energetycznych, rosn

ce zanieczyszczenie

rodowiska i zwi

kszaj

ce si

zapotrzebowanie na energi

zmuszaj

do rozwa

enia

struktury naszego systemu zaopatrzenia w energi

2000

2050

2100

2150

2200

2250

uran

gaz

ziemny

ropa

naftowa

giel

Nasze

globalne

zasoby

paliw kopalnych i j

drowych

ograniczone

Rys. 1. przewidywana dost

pno

ść

paliw kopalnych i j

drowych

(w oparciu o obecne zu

ycie)

Niezb

dne zmiany w naszym systemie zaopatrzenia w energi

liwe je

dziemy mogli wykorzysta

energi

odnawialn

jak na przykład słoneczn

, wiatru lub wody

jako podstawow

ęść

rynku energii.

Problemem z którym si

spotykamy przy wykorzystaniu ogniw słonecznych lub

elektrowni wiatrowych do produkcji energii elektrycznej polega na tym,

e zapotrzebowanie

na energi

elektryczn

i mo

liwo

ść

jej produkcji nie musz

pokrywa

w czasie. Na

przykład ogniwa słoneczne b

dostarczały energi

w ci

gu dnia a ta energia b

dzie

potrzebna do o

wietlenia w nocy. Podobnie elektrownia wiatrowa b

dzie dostarcza

energi

w czasie gdy wieje wiatr. W takich przypadkach gdy mo

liwo

ci produkcji nie pokrywaj

zapotrzebowaniem w czasie lub w miejscu, konieczna jest mo

liwo

ść

wygodnego

magazynowania i przesyłania energii. Tak

liwo

ść

daje wodór. Kombinacja

wykorzystania energii słonecznej do produkcji energii elektrycznej i wykorzystania wodoru

jako no

nika energii do jej magazynowania i przesyłania jest nazywana cyklem słoneczno-

wodorowym. W czasie gdy ogniwa słoneczne i elektrownie wiatrowe produkuj

cej energii

elektrycznej ni

wynosi zapotrzebowanie, zb

dna energia jest wykorzystywana do produkcji

wodoru (Rys 2.). Proces ten zachodzi w elektrolizerach, w których woda jest rozdzielana na

wodór i tlen. Wodór (i potencjalnie tlen) mo

e by

magazynowany i transportowany. Energi

elektryczn

z wodoru produkuje si

w ogniwach paliwowych. W czasie reakcji wodór ł

czy

z tlenem. Produktami s

woda, energia elektryczna i cieplna. Wykorzystanie wodoru w

tym cyklu pozwala na produkcj

energii elektrycznej w dogodnym miejscu i czasie.

1.2. Energia słoneczna

Energie odnawialne: co to jest i jak je wykorzystywa

Energie odnawialne to

ródła energii które s

w sposób ci

gły odnawiane w naturalnych

procesach zachodz

cych w ludzkiej skali czasowej. W przeciwie

stwie do tego , paliwa

kopalne (w

giel, gaz ziemny, ropa naftowa) potrzebuj

milionów lat procesów geologicznych

do powstania. Energie odnawialne z drugiej strony s

rzeczywi

cie niewyczerpywalne.

Do odnawialnych

ródeł energii mo

na zaliczy

Energi

słoneczn

Energia słoneczna otacza nas w ró

nych formach i mo

e by

wykorzystana w

ró

norodny sposób:

•

promieniowanie słoneczne: urz

dzenia fotovoltaiczne, ogrzewanie słoneczne,

•

ruch atmosfery: energia wiatru

•

parowanie, opady: energia hydroelektryczna

•

biomasa: np. biopaliwa, biogaz

Obecnie najcz

ęś

ciej wykorzystywanymi urz

dzeniami korzystaj

cymi z energii

odnawialnej s

ogniwa słoneczne, elektrownie wiatrowe i elektrownie wodne.

Energia pływów (grawitacyjne przyci

ganie Sło

ca, Ziemi i Ksi

ęż

yca).

Elektrownie pływowe wykorzystuj

energi

pływów. Woda jest magazynowana w czasie

przypływu, i wykorzystywana do produkcji energii w turbinach w czasie odpływu.

Energia geotermalna (radioaktywno

ść

i ciepło wn

trza Ziemi)

Elektrownie geotermalne wykorzystuj

ciepło wn

trza Ziemi. Ciepło mo

e by

wykorzystywane bezpo

rednio, lub przetwarzane na energi

elektryczn

Systemy fotovoltaiczne przetwarzaj

promieniowanie słoneczne bezpo

rednio w

energi

elektryczn

Podstaw

tej technologii s

materiały półprzewodnikowe takie jak krzem.

Typowe ogniwo słoneczne składa si

z dwóch ró

nie domieszkowanych

półprzewodników. Domieszkowanie jest to kontrolowane wprowadzanie zanieczyszcze

materiału bazowego. W przypadku czystego kryształu półprzewodnika (np. krzemu)

zast

puje si

niektóre atomy w siatce krystalicznej pierwiastkami maj

cymi o jeden elektron

walencyjny wi

cej lub o jeden elektron walencyjny mniej ni

materiał podstawowy (elektrony

walencyjne okre

laj

zachowanie chemiczne materiału, s

one umiejscowione na

zewn

trznej powłoce elektronowej atomu). Pierwiastki półprzewodz

ce maj

cztery elektrony

walencyjne z których wszystkie s

wykorzystane w wi

zaniach w siatce krystalicznej. Je

materiał domieszki ma pi

ęć

elektronów walencyjnych, jeden z nich b

dzie dodatkowym,

słabo zwi

zanym z atomem domieszkuj

cym. „Wolne„ elektrony mog

porusza

łatwo w

siatce i s

odpowiedzialne za zwi

kszenie przewodno

ci. Poniewa

maj

one ładunek

ujemny, materiał domieszkowany w ten sposób jest nazywany półprzewodnikiem typu „n”.

li z kolei materiał domieszkuj

cy ma tylko trzy elektrony walencyjne, siatka krystaliczna

dzie miała niedomiar elektronów to znaczy b

dzie miała jedn

„dziur

” (ładunek dodatni)

na atom domieszki. Podobnie do powy

szych wolnych elektronów dziury mog

łatwo

przemieszcza

w siatce zwi

kszaj

c ponownie przewodno

ść

. Poniewa

w tym przypadku

wolne ładunki s

dodatnie, ten rodzaj półprzewodnika jest nazywany półprzewodnikiem typu

„p”.

li półprzewodnik typu n zostanie poł

czony z półprzewodnikiem typu p, powstaje

zł

cze p-n. Ró

nice koncentracji dziur i wolnych elektronów pomi

dzy rejonami n i p,

powoduj

powstanie dyfuzyjnego: elektrony przepływaj

z obszaru n do obszaru p i

wypełniaj

dziury. To tworzy region który jest prawie pozbawiony wolnych no

ników ładunku

i dlatego jest nazywany warstw

zubo

. W warstwie zubo

onej po stronie n jest dodatni

ładunek netto, a po stronie p ujemny co powoduje powstanie pola elektrycznego

zapobiegaj

cego dalszemu przepływowi elektronów. Im wi

cej elektronów przepłynie ze

strony n na stron

p tym silniejsze jest to pole. Prowadzi to do ustalenia si

stanu

równowagi w którym przepływ elektronów ustaje. Ró

nica potencjałów w polu

równowagowym jest nazywana napi

ciem dyfuzji. To napi

cie nie mo

e by

wykorzystane w

zewn

trznym obwodzie. Jednak

e gdy

wiatło pada na ogniwo słoneczne, równowaga

zostaje zaburzona i tak zwany wewn

trzny efekt fotowoltaiczny powoduje powstanie

dodatkowych no

ników ładunku mog

cych porusza

w polu elektrycznym warstwy

zubo

onej.

Dziury poruszaj

w kierunku regionu p a elektrony w kierunku n, powoduj

powstanie zewn

trznego napi

cia (biegu jałowego) ogniwa. Napi

cie biegu jałowago ogniwa

słonecznego zale

y od materiału a nie od jego powierzchni. Fotoogniwa krzemowe maj

napi

cie biegu jałowego około 0,5 V. Wi

ksze napi

cia mo

na uzyska

c ogniwa

szeregowo.

d dostarczany przez fotoogniwo zale

y od nat

ęż

enia

wiatła padaj

cego na nie.

Równoległe ł

czenie ogniw pozwala na uzyskanie wi

kszego pr

du.

Moc ogniwa zale

y nie tylko od samego ogniwa ale równie

od przył

czonego

obci

ąż

enia elektrycznego. Punkt mocy maksymalnej mo

na okre

z charakterystyki

napi

ciowo-pr

dowej ogniwa (rozdział 2.1).

Sprawno

ść

fotoogniwa zale

y od jego temperatury i maleje w miar

jej wzrostu..

Najcz

ęś

ciej u

ywanym do budowy fotoogniwa półprzewodnikiem jest krzem w ró

nych

postaciach:

1. krzem monokrystaliczny (sprawno

ść

ogniwa ok. 14-17%)

2. krzem polikrystaliczny (sprawno

ść

ogniwa ok. 13-15%)

3. krzem amorficzny (sprawno

ść

ogniwa ok. 5-7%)

Energia wiatru

Energia wiatru jest u

ywana od wieków. Wiatraki przekształcały energi

wiatru w

energi

mechaniczn

wykorzystywan

do celów takich jak mielenie zbo

Obecnie energia wiatru jest wykorzystywana do produkcji energii elektrycznej w

elektrowniach wiatrowych.

Podstawowymi składnikami elektrowni wiatrowej s

Fundament

zapewnia posadowienie elektrowni w gruncie

Maszt

wykonywany typowo ze stali lub

elbetonu, obecnie o wysoko

ci od 10 do

120m, w przyszło

ci planowane s

sze maszty,

Gondola

konstrukcja mieszcz

ca generator, przekładni

i inne cz

ęś

ci elektrowni,

Wirnik

przekształca energi

wiatru w mechaniczn

energi

obrotow

. Wał wirnika

nap

dza przekładni

Przekładnia

zmienia wolne obroty wirnika na szybkie obroty wymagane przez

generator. Niektóre systemy wiatrowe nie wymagaj

zwi

kszenia pr

dko

obrotowej dla generatora,

Generator

przetwarza energi

mechaniczn

w energi

elektryczn

Komercyjne elektrownie wiatrowe maj

sprawno

ść

całkowit

pomi

dzy 35% a 43%.

Najwi

ksze straty energii wyst

puj

przy zamianie energii wiatru na energi

obrotow

wirnika (straty aerodynamiczne), sprawno

ść

wynosi ok. 45-50%. Straty zwi

zane z

przekładni

wynosz

2,5% a elektryczne ok. 5%.

Energia wody

Elektrownie wodne przetwarzaj

energi

kinetyczn

wody w energi

elektryczn

Typowo elektrownia wodna jest budowana w poł

czeniu z tam

na rzece. Tama

podnosi poziom wody w powstałym zbiorniku.

Woda przepływaj

c rurami ze zbiornika do elektrowni zamienia swoj

energi

potencjaln

na kinetyczn

, która jest z kolei wykorzystywana do nap

dzania turbiny. Turbina

przekształca energi

kinetyczn

wody w energi

mechaniczn

. W ko

cu generator

przekształca t

energi

w energi

elektryczn

Elektrownie wodne osi

gaj

sprawno

ci 80 – 90%.

Moc systemu wyznacza wzór:

⋅

= strumie

wody (obj

ść

/czas)

b = wysoko

ść

spadku

g = przyspieszenie ziemskie

r = g

sto

ść

wody

h = całkowita sprawno

ść

systemu

Elektrownie wodne mo

na podzieli

na przepływowe i zbiornikowe>

Elektrownie przepływowe s

budowane na rzece o małym spadku i du

ym przepływie.

Pracuj

one w sposób ci

gły i dlatego s

odpowiednie do pracy podstawowej. W elektrowni

zbiornikowej woda jest magazynowana w naturalnym lub sztucznym zbiorniku. To pozwala

na kontrol

zmienno

ci przepływu a tak

e na dostosowanie mocy elektrowni do

zapotrzebowania systemu. Woda ze zbiornika mo

e by

wykorzystywana w szczycie

obci

ąż

enia. Dlatego elektrownie zbiornikowe s

odpowiednie do pracy jako szczytowe.

Specjalnym przypadkiem elektrowni zbiornikowych s

elektrownie pompowe.

1.2. Elektrolizery PEM (z elektrolitem z membrany polimerowej)

Wodór i tlen mog

produkowane w procesie elektrolizy wody. Elektroliza jest to

proces elektrochemiczny polegaj

cy na rozkładzie elektrolitu przy pomocy pr

du stałego

przepływaj

cego przez elektrolit pomi

dzy elektrodami. Je

li proces elektrolizy ma

zachodzi

, nat

ęż

enie pr

du musi by

równe lub wi

ksze od pewnej warto

ci progowej,

zale

nej od materiału, znanej jako napi

cie rozkładowe. Elektrolizery ró

typem

elektrolitu i rodzajem elektrod.

Elektrolizery PEM (Rys.7) maj

szczególnie prost

i kompaktow

budow

. Centralnym

składnikiem jest przewodz

ca protony membrana polimerowa pokryta warstwami

katalizatora na obu stronach. Te warstwy s

elektrodami.

li do elektrod jest przyło

one napi

cie wi

ksze od napi

cia rozkładowego wody,

elektrolizer PEM rozkłada czyst

wod

na wodór i tlen. Teoretyczne napi

cie rozkładowe dla

wody wynosi 1,23 V, jednak w praktyce to napi

cie musi by

nieco wi

ksze. (rozdział 2.2)

Elektrolizery o wi

kszej mocy s

budowane jako zestawy szeregowo poł

czonych

pojedynczych elektrolizerów. Sprawno

ść

elektrolizerów PEM wynosi ok. 85%.

Jak pracuj

elektrolizery PEM

Przypu

ść

my,

e napi

cie stałe jest przyło

one do elektrod elektrolizera PEM (rys 7). Na

anodzie (prawa elektroda) woda jest utleniana zostawiaj

c tlen, protony (jony H

) i wolne

elektrony. Podczas gdy tlen gazowy mo

e by

odbierany bezpo

rednio z anody, protony

(

ółte +) migruj

przez membran

przewodz

protony do katody, gdzie s

redukopwane

do wodoru (konieczne do tego elektrony s

dostarczane z zewn

trznego obwodu).

Reakcja na anodzie:

→

+ 4e

+ O

Reakcje na katodzie:

+ 4e

→

Reakcje sumaryczne

→

+ 2O

Elekrolizery PEM s

nazywane od ich materiału elektrolitu membrany polimerowej

przewodz

cej protony. Akronim PEM odpowiada Proton Exchange Membrane lub Polimer

Electrolite Membrane. PEM składa si

ze struktury teflonopodobnej z doł

czonymi grupami

H. Je

li membrana staje si

mokra, kwas siarkowy dysocjuje, membrana staje si

kwa

na i przewodzi protony. pozwala to na łatwy transport jonów H

podczas gdy aniony nie

mog

przej

ść

przez membran

1.4. Magazynowanie wodoru

Magazynowanie ci

nieniowe

Najłatwiejsz

i najbardziej ekonomiczn

metod

magazynowania wodoru jest spr

ęż

enie

go i przechowywanie w ci

nieniowych zbiornikach o odpowiedniej wytrzymało

ci (Rys8).

li problemem nie jest waga lub obj

ść

, to ta metoda jest najlepsza. Zbiorniki s

zaprojektowane na ci

nienie 200 bar. S

one u

ywane w pomieszczeniach i na zewn

trz.

Nowoczesne zbiorniki s

wykonywane z kompozytów w

glowych. S

one nie tylko l

ejsze od

konwencjonalnych al. maj

mog

równie

wytrzymywa

ksze ci

nienia, obecnie do 350

bara w przyszło

ci nawet 700.

Magazynowanie kriogeniczne (w postaci ciekłej)

W tej metodzie wodór jest składowany w postaci ciekłej w temperaturze poni

ej -253ºC.

Główn

zalet

tej metody jest wysoka g

sto

ść

składowania energii w jednostce obj

ci (i

masy). Jest to szczególnie wa

ne przy małej ilo

ci miejsca (np. w transporcie lub

tankowcach).

Wodór skrapla si

w temperaturze -253ºC. W tak niskich temperaturach składowanie

jest mo

liwe tylko w specjalnych zbiornikach kriogenicznych o odpowiedniej izolacji cieplnej.

Ale nawet w takich zbiornikach wodór mo

na składowa

bez strat tylko przez kilka dni. Po

tym czasie, pomimo izolacji, wyst

straty parowania. Na skutek wzrostu temperatury mała

ęść

wodoru odparowuje. Aby nie dopu

do wzrostu ci

nienia w zbiorniku, t

ilo

ść

wodoru trzeba wypu

. Takie straty gazu wynosz

ok. 0,4%/dzie

Inn

istotn

strat

energii jest zwi

zana ze skraplaniem wodoru: energia konieczna do

jego skroplenia si

ga 1/3 zmagazynowanej energii.

Magazynowanie w wodorkach metali

Wodór mo

e by

magazynowany jako wodorki metali, w siatce krystalicznej niektórych

metali lub stopów. Pod ci

nieniem nieco przekraczaj

cym ci

nienie otoczenia wodór jest

pompowany do

rodka magazynuj

cego w którym ł

czy si

z metalem tworz

c wodorki

metalu w reakcji egzotermicznej. Reakcja jest odwracalna: dostarczenie ciepła powoduje

rozkład zwi

zku i uwalnianie wodoru.

W porównaniu do metod przedstawionych wy

ej, wodór magazynowany jako wodorki

metali jest bezpieczniejszy i łatwiejszy w u

yciu. Ta metoda składowania ma wysok

sto

ść

obj

ciow

energii. Jest ona odpowiednia do zastosowania w samochodach poniewa

mała obj

ść

zbiornika wystarczy do zapewnienia samochodowi koniecznego zasi

gu.

Problemem w tym przypadku jest mała wagowo g

sto

ść

magazynowania energii, co

powoduje du

y ci

ęż

ar zbiornika. To ogranicza szerokie zastosowanie tej metody w

samochodach. (Rys. 10)

1.5. Historia technologii ogniw paliwowych

Ogniwo paliwowe zostało wynalezione ponad 150 lat temu; w 1839 r. Sir William

Grove (1811-1896) i Christian Friedrich Scoenbein (1799-1868) stwierdzili,

e proces

elektrolizy mo

e by

odwrócony.

Na przykład, przy elektrolizie wody, elektryczno

ść

jest u

ywana do produkcji wodoru i

tlenu. W ogniwie paliwowym zachodzi reakcja odwrotna: wodór i tlen reaguj

daj

c wod

elektryczno

ść

Grove zbudował swoje pierwsze ogniwo paliwowe w 1839r. Schemat na rysunku obok

przedstawia model zbudowany w 1842r. składaj

cy si

z czterech elementów poł

czonych

szeregowo. Ka

dy z czterech pojemników jest wypełniony roztworem kwasu siarkowego i ma

dwie rurki szklane z elektrodami platynowymi wewn

trz. Rurki s

w górnej cz

ęś

ci zamkni

te i

wypełnione: anoda – wodorem a katoda – tlenem. Generowana elektryczno

ść

e by

wykorzystana w zewn

trznym obwodzie. Na rysunku jest ona wykorzystana do

przeprowadzenia elektrolizy wody.

Trudno

ci z materiałami, wynalezienie silników spalinowych i maszyn elektrycznych w

poł

czeniu z niewyczerpalnymi (jak si

wydawało) zasobami paliw to niektóre z przyczyn

tego,

e technologia ogniw paliwowych pozostawała przez długi czas nieistotna. Dopiero w

1960 latach technologia ta została powtórnie odkryta jako przydatna do produkcji energii

elektrycznej w eksploracji kosmosu, gdzie była potrzebna pewna metoda nie wykorzystuj

spalania.

1.6. Typy ogniw paliwowych

Ogniwo paliwowe składa si

zasadniczo z dwóch elektrod (katody i anody) oddzielonych

przez elektrolit. Zwykle typ elektrolitu jest u

ywany do rozró

nienia typów ogniw paliwowych.

Jednak

e jest szereg dodatkowych charakterystyk takich jak temperatura pracy, sprawno

ść

zastosowanie, które mog

znacznie ró

w ró

nych typach ogniw.

Ogniwo paliwowe

Elektrolit

Temperatura

pracy

Sprawno

ść

elektryczna

Paliwo

utleniacz

Alkaliczne ogniwo

paliwowe AFC

Roztwór

wodorotlenku

potasu (KOH)

pokojowa do

90ºC

60-70%

ogniwo paliwowe z

membran

umo

liwiaj

wymian

protonów PEMFC

membran

umo

liwiaj

wymian

protonów

pokojowa do

80ºC

40 –80 %

, powietrze

Bezpo

rednie

metanolowe ogniwo

paliwowe DMFC

membran

umo

liwiaj

wymian

protonów

pokojowa do

130ºC

20 –30%

, powietrze

Ogniwo paliwowe z

kwasem fosforowym

PAFC

kwas fosforowym

160 - 220ºC

55%

Gaz ziemny, biogaz, H

, powietrze

Ogniwo paliwowe ze

stopionymi w

glanami

MCFC

Stopiona

mieszanina

glanów metali

alkalicznych

620 - 680ºC

85%

Gaz ziemny, biogaz, gaz ze

zgazowania w

gla, H

, powietrze

Ogniwa paliwowe z

zestalonym elektrolitem

tlenkowym

SOFC

Ceramika

przewodz

ca jony

tlenu

800 - 1000ºC

80 –85%

Gaz ziemny, biogaz, gaz ze

zgazowania w

gla, H

, powietrze

Alkaliczne ogniwo paliwowe (Alkaline Fuel Cel AFC)

Elektrolitem w alkalicznym ogniwie paliwowym jest roztwór wodorotlenku potasu (KOH).

Ogniwo pracuje w zakresie temperatur od pokojowej do 90ºC (ale temperatura mo

e by

sza w zale

ci od st

ęż

enia elektrolitu). Ogniwa AFC maj

wysok

sprawno

ść

wykorzystuj

tani elektrolit. Głównym problemem przy tym ogniwie jest pochłanianie CO

przez elektrolit. CO

reaguje z KOH, w wyniku reakcji tworzy si

nierozpuszczalny w

glan.

To oznacza,

e te ogniwa mog

wykorzystywa

bardzo czyste wodór i tlen, które nie

zawieraj

zastosowanie: wojskowe, eksploracja kosmosu

Reakcja na anodzie:

→

+ 4e

+ O

Reakcje na katodzie:

+ 4e

→

Reakcje sumaryczne

→

+ 2O

Ogniwo paliwowe PEM (PEMFC – ogniwo paliwowe z elektrolitem z membrany

polimerowej)

Elektrolitem w ogniwie paliwowym PEMFC jest membrana polimerowa przewodz

protony. Ogniwo PEMFC równie

działa w niskich temperaturach (pokojowa do 80ºC).

Ogniwa te maj

dobre wła

ciwo

ci zimnego startu i wysok

sprawno

ść

. Ponadto,

Pojedyncze ogniwa mog

łatwo ł

czone w zespoły co umo

liwia uzyskanie wy

szych

napi

ęć

. Katoda jest zasilana tlenem (np. z powietrza), anoda wodorem. Je

li wodór pochodzi

z paliw zawieraj

cych w

giel musi by

dokładnie oczyszczony z CO poniewa

ten gaz

zniszczy katalizator PEMFC. Wad

ogniw paliwowych PEM jest wysoki koszt materiału

katalizatora (platyna).

Zastosowania: silniki elektryczne np. w samochodach, eksploracji kosmosu, ruchome

ródła zasilania, zamienniki akumulatorów, blokowe elektrownie cieplne (poł

czenie ciepła i

elektryczno

ci)

Reakcja na anodzie:

→

+ 4e

Reakcje na katodzie:

O2 + 4H

+ 4e

→

Reakcje sumaryczne

+ O

→

Bezpo

rednie ogniwo metanolowe (DMFC)

Bezpo

rednie ogniwo metanolowe (DMFC) jest specjalnym przypadkiem PEMFC. Oba

ogniwa paliwowe maj

podobn

struktur

jednak

e DMFC wykorzystuje metanol (CH

OH)

jako paliwo a nie wodór. Metanol mo

e by

ywany w stanie ciekłym, jego wadami s

toksyczno

ść

i korozyjno

ść

, ponadto ogniwa DMFC maj

nisk

sprawno

ść

Zastosowania: silniki elektryczne, ruchome

ródła zasilania, zamienniki akumulatorów

Reakcja na anodzie:

2CH

OH + 2H

→

2CO

+ 12H

+ 12e

Reakcje na katodzie:

3O2 + 12H

+ 12e

→

Reakcje sumaryczne

2CH

OH + 3O

→

2CO

+ 4H

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC)

Elektrolitem w ogniwach PAFC jest kwas fosforowy. Ogniwa pracuj

w zakresie

temperatur 160 - 220ºC. W porównaniu z innymi typami ogniw (poza DMFC) ogniwa te maj

nisk

sprawno

ść

Zastosowania: stacjonarne

ródła zasilania, blokowe elektrownie cieplne (poł

czenie

ciepła i elektryczno

ci)

Reakcja na anodzie:

→

+ 4e

Reakcje na katodzie:

O2 + 4H

+ 4e

→

Reakcje sumaryczne

+ O

→

Ogniwa paliwowe ze stopionymi w

glanami (MCFC)

Elektrolitem w MCFC s

stopione w

glany metali alkalicznych utrzymywane w siatce

ceramicznej tlenków litu i glinu. Ogniwa te maj

wysok

temperatur

pracy (600-700ºC) i

wysok

sprawno

ść

. Mog

one by

zasilane nie tylko wodorom lecz równie

gazem ziemnym

i biogazem.

Zastosowania: blokowe elektrownie cieplne (poł

czenie ciepła i elektryczno

ci),

elektrownie zawodowe.

Reakcja na anodzie:

+2CO

→

O + 2CO

Reakcje na katodzie:

+ 2CO

+ 4e

→

2CO

Reakcje sumaryczne

+ O

→

Ogniwa paliwowe z zestalonym elektrolitem tlenkowym (SOFC)

Elektrolitem w tym ogniwie jest stały tlenek metalu, zwykle tlenek cyrkony stabilizowany

itrem (ZrO

). S

to ogniwa wysokotemperaturowe. Mog

one by

zasilane wodorem, ale

równie

innymi gazami wł

czaj

c gaz ziemny i biogaz.

Zastosowania: blokowe elektrownie cieplne (poł

czenie ciepła i elektryczno

ci),

elektrownie zawodowe, a tak

e wytwarzanie energii elektrycznej w domu.

Reakcja na anodzie:

+ 2O



O + 4e

Reakcje na katodzie:

O2 + 4e



Reakcje sumaryczne

+ O



1.7. Ogniwa paliwowe PEM

Ogniwa paliwowe PEM przekształcaj

energi

chemiczn

w energi

elektryczn

wysok

sprawno

, przy nikim hałasie i bez emisji zanieczyszcze

. Elektrolitem jest cienka

polimerowa membrana przewodz

ca protony. Membrana jest obustronnie pokryta

katalizatorem. Katalizator tworzy elektrody ogniwa paliwowego – katod

i anod

. Pojedyncze

cele s

poł

czone w baterie, tak aby mogły spełnia

wymagania co do pr

du i napi

cia

(rozdział 1.8). Wysoka sprawno

ść

, dobre parametry zimnego startu powoduj

e te ogniwa

odpowiednie do szerokiego zakresu zastosowa

takich jak nap

dy elektryczne w

samochodach (rozdz.1.11), zast

powanie baterii i akumulatorów (rozdz 1,10), i dostarczanie

energii w domu (rozdz1.12).

Jak pracuje ogniwo paliwowe PEM

W ogniwie paliwowy PEM dwie elektrody (typowo platynowe, niebieskie na rys 13) s

oddzielone przez elektrolit (

ółty) – membran

polimerow

przewodz

protony. Gazowy

wodór (czerwony, po lewej) jest dostarczany do jednej elektrody, a tlen (niebieski, po prawej)

do drugiej. Anoda jest katalizatorem dla dysocjacji wodoru na protony (jony H

) i elektrony.

Tak protony jak i elektrony przemieszczaj

na stron

katodow

, ale ró

nymi drogami.

Jony H+ przechodz

przez membran

polimerow

przewodz

protony, elektrony

przepływaj

przez zewn

trzny obwód tworz

c pr

d zewn

trzny ogniwa. Na katodzie protony

i elektrony ostatecznie reaguj

z tlenem daj

c wod

, jedyny produkt uboczny ogniwa

paliwowego.

Reakcja na anodzie:



+ 4e

Reakcje na katodzie:

O2 + 4H

+ 4e



Reakcje sumaryczne

+ O



1.8. Bateria ogniw paliwowych

W celu otrzymania odpowiedniego napi

cia nale

y poł

czy

szereg ogniw

paliwowych w bateri

Rysunek 14 przedstawia bateri

składaj

z trzech ogniw paliwowych. Przylegaj

ogniwa s

oddzielone od siebie płytami separuj

cymi (na rysunku szare z pionowymi i

poziomymi rowkami). Płyty separuj

ce maj

za zadanie: 1) zapewni

poł

czenie elektryczne

siaduj

cych ogniw, 2) umo

liwi

dostarczenie i odbiór gazu, 3) odprowadzi

wydzielaj

w ogniwie ciepło, 4) uszczelni

przylegaj

ce ogniwa i uniemo

liwi

ucieczk

paliwa i

utleniacza. Na rysunku nie pokazano poł

cze

elektrycznych, kanały transportuj

ce gaz s

pokazano jako poziome (wodór) i pionowe (dostarczanie tlenu i odbiór wody) rowki.

Specjalne płyty ko

cowe s

umieszczone na ko

cach baterii. Maj

one ł

czniki elektryczne

do zewn

trznego obwodu a tak

e kró

ce do dostarczania gazu i ewentualnie chłodziwa. W

zale

ci od mocy baterii i zwi

zanego z tym wydzielania ciepła chłodzenie mo

e by

powietrzne albo wodne.

Napi

cie wyj

ciowe baterii mo

na regulowa

dobieraj

c odpowiedni

ilo

ść

ogniw

poł

czonych szeregowo.

1.9. Bezpo

rednie metanolowe ogniwo paliwowe

Bezpo

rednie metanolowe ogniwo paliwowe jest specjalnym przypadkiem ogniwa

PEM. DMFC i PEMFC maj

podobn

budow

, dwie elektrody s

odseparowane przez

elektrolit którym jest polimerowa membrana przewodz

ca jony wodorowe,

nieprzenikliwa dla elektronów.

Ró

nica pomi

dzy DMFC i PEMFC polega na tym ,

e w DMFC paliwem jest metanol

(CH3OH) a nie wodór. Przy ci

nieniu otoczenia (101,3 kPa) metanol jest ciekły w

temperaturach od -97ºC do 64ºC. Dlatego główn

zalet

DMFC jest to,

e paliwo mo

e by

składowane i transportowane podobnie jak inne paliwa ciekłe. Z drugiej strony metanol jest

truj

cy i powoduje korozj

a te ogniwa maj

nisk

sprawno

ść

w porównaniu z innymi

ogniwami paliwowymi. Zastosowanie: silniki elektryczne, przeno

ródła zasilania

zmiennik akumulatorów.

Jak pracuje DMFC

Rysunek 15 przedstawia schemat DMFC. Elektrolit (PEM) ma kolor

ółty, elektrody s

niebieskie (anoda z lewej , katoda z prawej). Do anody jest doprowadzany jest wodny

roztwór metanolu. Dzi

ki katalitycznemu działaniu elektrod wodór jest oddzielany od

roztworu i redukowany do jonów H

, uwalniaj

c elektrony do anody. Jony wodoru i elektrody

przemieszczaj

do katody – jony wodoru przez membran

przewodz

jony a elektrony

przez zewn

trzny obwód elektryczny, tworz

c u

ytkowy pr

Na anodzie tlen i w

giel z metanolu reaguj

z tlenem z wody i tworz

Na katodzie jony wodoru które przeszły przez membran

i elektrony z zewn

trznego

obwodu reaguj

z dostarczanym tlenem i tworz

wod

Reakcja na anodzie:

2CH

OH + H



2CO

+ 12H

+ 12e

Reakcje na katodzie:

3O2 + 12H

+ 12e



Reakcje sumaryczne

2CH

OH + 3O



2CO

+ 4H

1.10. Zastosowania przeno

Ogniwa paliwowe do przeno

nych zastosowa

Do zastosowa

przeno

nych ogniwa paliwowe s

zamiennikami typowych baterii. Ich

główn

zalet

jest to ,

e w przeciwie

stwie do zwykłych baterii one si

nie rozładowuj

Baterie s

urz

dzeniami do magazynowania energii elektrycznej, ilo

ść

energii które mog

odda

zale

y od ilo

ci reagentów zawartych w baterii. Po zu

yciu reagentów bateria musi

albo naładowana (akumulator) lub wyrzucona. Ogniwa paliwowe s

urz

dzeniami

przetwarzaj

cymi energi

dostarczanego z zewn

trz paliwa. Wytwarzaj

one energi

elektryczn

tak długo jak długo paliwo jest dostarczane.

Zakres mo

liwych zastosowa

jest bardzo szeroki. Obejmuje on dostarczanie energii

elektrycznej dla ró

nych urz

dze

o małej mocy np.: laptopy, urz

dzenia pomiarowe,

wyposa

enie kempingowe.

Niskotemperaturowe ogniwa PEMFC i DMFC s

najbardziej odpowiednie dla

przeno

nych urz

dze

małej mocy poniewa

pracuj

one w niskich temperaturach, pracuj

niezwłocznie po starcie (nie wymagaj

rozgrzewania) i mog

mie

kompaktow

budow

Jedynym produkte, ubocznym PEMFC jest woda, podczas gdy DMFC produkuje

równie

małe ilo

ci CO

1.11. Zastosowania ruchome

Ogniwa paliwowe do ruchomych zastosowa

Zastosowania ruchome s

zdominowane przez ogniwa PEM. Ze wzgl

du na nisk

temperatur

pracy ogniwa PEMFC mo

e dostarcza

energi

elektryczn

bezpo

rednio po

starcie. Jest to szczególnie wa

ne dla zastosowa

w samochodach.

Zapotrzebowanie mocy w samochodach mie

ci si

w zakresie od kilku kW do setek kW.

Małe łodzie wymagaj

kilku kW, wi

ksze nawet setek KW do nap

du i do zasilania

urz

dze

pokładowych a tak

e w systemach zasilania awaryjnego.

Dzi

ki budowie modułowej ogniwa paliwowe mog

spełni

najbardziej ró

norodne

wymagania.

Samochód HydrGen3 zbudowany przez Opla ma bateri

ogniw paliwowych zło

200 ogniw poł

czonych szeregowo. Poniewa

w ogniwach nie ma ruchomych cz

ęś

ci,

przetwarzanie energii odbywa si

bez hałasu i zu

ycia.

Istniej

równie

inne koncepcje wykorzystania wodoru do nap

dzania samochodów.

Jedn

z nich jest samochód BMW 745h, który wykorzystuje wodór jako paliwo w 135 kW

silniku spalinowym.

Samochód NECAR5 Daimler-Chrysler wykorzystuje w ogniwach paliwowych metanol

przetwarzany w samochodzie na wodór. W reformerze metanol jest przetwarzany na wodór,

CO2 i CO. W ten sposób wodór dla ogniw paliwowych jest wytwarzany bezpo

redni w

samochodzie.

1.12. Zastosowania stacjonarne

Ogniwa paliwowe do zastosowa

stacjonarnych

Zastosowania stacjonarne rozci

gaj

od wytwarzania energii elektrycznej i ciepła dla

pojedynczych mieszka

(moc od 2 kW) do zaopatrywania w energi

ciepln

i elektryczn

całych obszarów (moc w zakresie MW).

Pierwszy pilota

owy projekt domowego zaopatrzenia w energi

został wdro

ony ,

np. przy wykorzystaniu baterii ogniw paliwowych PEM firmy Vaillant i baterii Hexis SOFC

firmy Sulzer.

Kompletny system generacji energii składa si

nie tylko z baterii ogniw paliwowych , lecz

równie

z wielu innych składników:

•

Systemy kondycjonowania gazu: je

li paliwo dla ogniw paliwowych ma

nieodpowiedni

jako

ść

, musi by

kondycjonowane. Ten proces mo

e obejmowa

reformowanie i czyszczenie CO, odsiarczanie i usuwanie nadmiernej ilo

ci tlenu.

•

Wymienniki ciepła: słu

żą

do przekazywania wytwarzanego ciepła na zewn

tr.

•

Inne składniki generuj

ce energi

: w zale

ci od potrzeb mog

to by

turbiny

rozpr

ęż

ne, turbiny gazowe albo kombinowane turbiny gazowe i parowe.

•

Ruroci

gi, pompy i kondensatory wymagane do obsługi gazu i ciepła

•

Poł

czenia elektryczne mi

dzy składnikami systemu a tak

e układy kontrolne i

pomiarowe

•

Przekształtniki i transformatory do przekształcania i transformacji napi

cia stałego

baterii w napi

cie przemienne.

2.1. Charakterystyka pr

dowo-napi

ciowa, krzywa mocy i sprawno

ść

modułu słonecznego

Przed rozpocz

ciem eksperymentu nale

y przeczyta

zasady bezpiecze

stwa w

Instrukcji obsługi!

Podstawy:

Sprawno

ść

modułu słonecznego jest to stosunek produkowanej energii

elektrycznej do energii słonecznej padaj

cej na ogniwo. Charakterystyki napi

ciowo

dowe i krzywa mocy pozwalaj

na wyznaczenie punktu mocy maksymalnej (MPP-

maximum power point).

out

Gdzie:

sprawno

ść

out

moc oddawana przez moduł

moc promieniowania padaj

cego na moduł

Aparatura:

•

Moduł słoneczny

•

ródło

wiatła do o

wietlenia modułu

•

Woltomierz o zakresie 20 V

•

Amperomierz o zakresie 20 A ?

•

Opornik dekadowy

•

Miernik mocy promieniowania

wietlnego

Schemat układu pomiarowego

Rys. 2.1. Schemat obwodu do wyznaczania charakterystyki modułu słonecznego.

Moduł
słoneczny

opornik
dekadowy

Wykonanie pomiaru

Poł

cz obwód zgodnie ze schematem na rys 2.1. Skieruj

wiatło na moduł słoneczny

pod k

tem 90º do jego powierzchni. Odczekaj 1 min. aby unikn

ąć

bł

dów

spowodowanych fluktuacjami temperatury. Rozpocznij pomiary od obwodu otwartego,

nast

pnie wykonuj pomiary napi

cia i pr

du zmniejszaj

c rezystancj

opornika

dekadowego. Ka

dorazowo po zmianie rezystancji odczekaj 20sekund.

Przykładowe wyniki pomiarów i oblicze

Ω

]

U [V]

I[A]

P [W]

P=U

∞

1,95

0,00

0,000

330

1,94

0,01

0,019

100

1,93

0,02

0,039

1,91

0,05

0,96

1,83

1,17

0,311

3,3

0,71

1,18

0,128

0,22

1,18

0,040

0,33

0,17

1,18

0,031

0,1

0,04

1,18

0,007

0,02

1,18

0,004

Tabela 2.1. Wyniki pomiarów Solar Module Junior i o

wietlenia h-tec SWpotlight 75W w

odległo

ci 50 cm od panelu.

Analiza

Wykonaj wykres zale

ci I (U)

I[A]

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0,5

1,5

2,5

I[A]

P = V*I

MPP

Vmpp

Wyjres 2.1.a Charakterystyka pr

dowo-napi

ciowa modułu słonecznego

Wykonaj wykres P (U)

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,5

1,5

2,5

U [V]

[

]

P[W]

Wykres 2.1.b Krzywa mocy panelu słonecznego

Punkt maksymalnej mocy (MPP) jest maximum krzywej mocy.

MPP mo

e by

równie

wyznaczony z charakterystyki pr

dowo-napi

ciowej jako

prostok

t o maksymalnym polu powierzchni oparty na osiach współrz

dnych i

wierzchołku nale

żą

cym do krzywej.

Sprawno

ść

modułów słonecznych

Aby wyznaczy

sprawno

ść

modułu słonecznego musimy zna

warto

ść

mocy

promieniowania słonecznego padaj

cego na moduł P

i jego moc elektryczn

(w tym

przykładzie 0,318 W)

A) wykorzystaj przyrz

d opisany wy

ej do zmierzenia mocy promieniowania

wietlnego

padaj

cego na jednostk

powierzchni modułu. T

warto

ść

nale

y pomno

przez

efektywn

powierzchni

modułu aby wyznaczy

moc Pin.

Sprawno

ść

na wyznaczy

ze wzoru

out

B) Je

li taki przyrz

d nie jest dost

pny, do pomiaru mocy promieniowania mo

wykorzysta

multimetr. Metoda ta opiera si

na tym,

e pr

d zwarciowy modułu jest

proporcjonalny do ilo

ci fotonów padaj

cych na ogniwo, a wi

c i do mocy

promieniowania

wietlnego.

Napi

cie biegu jałowego zale

y od materiału fotoogniwa, a nie od jego o

wietlenia,

c nie mo

e by

wykorzystane w tym pomiarze.

MPP

Pmax

Aby wyznaczy

moc promieniowania nale

y pomno

warto

ść

du zwarcia ogniwa

przez współczynnik F. Ten współczynnik jest zale

ny od warto

ci maksymalnej pr

zwarcia ogniwa.

Warto

ść

maksymaln

du zwarcia fotoogniwa podaje wytwórca dla mocy

promieniowania 1000 W/m

. Dla badanego ogniwa wynosi on 350 mA. St

350

1000

Dla wyznaczenia mocy promieniowania padaj

cego na moduł, nale

y pomno

przez współczynnik F i powierzchni

modułu.

Przykład:

Powierzchnia ogniw paliwowych: A=5*10

-3

, cztery ogniwa (25mmx 50mm)

d zwarcia: Is = 180 mA

180

⋅

−

Maksymalna moc elektryczna (MPP) modułu słonecznego wynosi 0,311W przy mocy

promieniowania padaj

cego 2,57 W. St

d mo

na wyznaczy

sprawno

ść

121

311

out

Dyskusja

Punkt mocy maksymalnej (MPP) mo

na odczyta

z wykresu mocy w prosty sposób. N

charakterystyce napi

ciowo-pr

dowej MPP wyznacza prostok

t o maksymalnym polu

zawarty mi

dzy osiami współrz

dnych i krzyw

. Rezystancj

ogniwa R

MPP

w punkcie

MPP okre

la wzór:

MPP

Sprawno

ci polikrystalicznych fotoogniw mieszcz

pomi

dzy 13 a 15%.

Wyznaczona warto

ść

12% jest nieco mniejsza. Jest to spowodowane bł

dami

pomiarowymi i niedokładno

ciami przy wyznaczaniu mocy promieniowania padaj

cego.

Ponadto, sprawno

ść

modułu jest mniejsza ni

sprawno

ci poszczególnych fotoogniw.

Jest to spowodowane przez straty wywołane niejednakowymi charakterystykami

poszczególnych ogniw i zwi

zanym z tym ich niedopasowaniem. Poszczególne ogniwa

modułu nie maj

takich samych punktów mocy maksymalnej.

Gdzie powstaj

straty w ogniwach paliwowych? Nie wszystkie fotony padaj

ce na

ogniwo mog

przekształcone w ładunki elektryczne. Cz

ęść

z nich odbija si

powierzchni ogniwa i od metalowych poł

cze

elektrycznych. Poniewa

energia

fotonów nie odpowiada energii bariery, ponad połowa energii jest tracona. Ponadto

straty powstaj

na skutek rekombinacji ładunków i jako straty elektryczne

spowodowane rezystancj

materiałów ogniwa (półprzewodnika i styków elektrycznych).

2.2. Charakterystyka pr

dowo-napi

ciowa elektrolizera PEM

przed rozpocz

ciem eksperymentów nale

y zapozna

z zasadami bezpiecze

stwa

zawartymi w instrukcji obsługi.

Podstawy:

Elektrolizer PEM rozdziela wod

na wodór i tlen.

Napi

cie zasilaj

ce elektrolizer musi przekracza

warto

ść

progow

, napi

cie

dekompozycji. Poni

ej tego napi

cia rozdzielanie wody nie zachodzi. Celem

poni

szego eksperymentu jest wyznaczenie tej warto

ci.

Aparatura

•

Elektrolizer PEM

•

2 mierniki (woltomierz i amperomierz

•

ródło napi

cia

a) regulowane

ródło nai

cia

b) Alternatywnie: nieregulowane

ródło napi

cia np. moduł słoneczny, w tym

przypadku niezb

dne jest

ródło

wiatła i opornik dekadowy lub wyskalowany

potencjometr

Wykonanie

wiczenia

a) Przył

cz elektrolizer do regulowanego

ródła napi

cia zgodnie ze schematem

2.2a. Pocz

tkowo napi

ci musi by

ustawione na 0V, nale

y je stopniowo zwi

ksza

do 2 V dla pojedynczego elektrolizera. Dla szeregowej baterii elektrolizerów napi

cie

cowe powinno by

wielokrotno

2V.

Regulowane

ródło napi

cia

elektrolizer

Schemat obwodu 2.2.a do wyznaczania charakterystyki pr

dowo-napi

ciowej

elektrolizera przy wykorzystaniu regulowanego

ródła napi

cia.

b) Poł

cz urz

dzenia według schematu 2.2.b

Nieregulowane

ródło napi

cia

opornik
dekadowy

elektrolizer

Schemat obwodu 2.2.b do wyznaczania charakterystyki pr

dowo-napi

ciowej

elektrolizera przy wykorzystaniu nieregulowanego

ródła napi

cia.

Procedury i dane

Uruchom aparatur

zgodnie z instrukcj

obsługi.

a) Zwi

kszaj napi

cie

ródła ze skokiem 0,1V od 0 d0 2V DC, i zapisuj ka

dorazowo

warto

ść

napi

cia i odpowiadaj

cego pr

du w tablicy. Odczekaj 20 sekund pomi

dzy

dym pomiarem aby uzyska

reprezentatywne warto

ci. Zwró

uwag

rozpocz

cie produkcji gazu i zaznacz odpowiadaj

ce warto

ci pr

du i napi

cia.

Przykład (dla elektrolizera h-tec Junior)

U [V]

I [A]

0,1

0,00

0,2

0,00

0,1

0,00

0,3

0,00

0,4

0,00

0,5

0,00

0,6

0,00

0,7

0,00

0,8

0,00

0,9

0,00

1,0

0,00

1,1

0,00

1,2

0,00

1,3

0,01

1,4

0,02

1,5

0,05

1,6

0,38

1,7

0,78

1,8

1,21

1.9

1,73

2,0

2,16

Tabela 2.2a Wyniki pomiarów
Elektrolizer PEM zaczyna wytwarza

wodór i tlen po

przekroczeniu pewnej warto

ci napi

cia. Od tej warto

d ro

nie wraz ze wzrostem napi

cia.

b) W przypadku nieregulowanego

ródła napi

cia stopniowo zwi

kszaj warto

ść

rezystancji opornika dekadowego zapisuj

c za ka

dym razem warto

ść

napi

cia i pr

w tablicy. (maksymalne napi

cie 2 V DC! Dla baterii elektrolizerów napi

cie

maksymalne jest iloczynem ilo

ci celi i 2 V. Pomiary przeprowadzaj jak w punkcie a).

Analiza

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów wykonaj wykres pr

du w funkcji napi

cia.

Uzyskana krzywa jest charakterystyk

dowo-napi

ciow

elektrolizera, która mo

e by

aproksymowana przez dwie przecinaj

ce si

linie proste. Narysuj te linie i zaznacz punkt

ich przeci

cia z osi

napi

cia. Ten punkt wyznacza praktycznie napi

cie rozkładu wody

(schemat 2.2a)

U[V]

Wykres 2.2.a Charakterystyka pr

dowo-napi

ciowa elektrolizera

Dyskusja

Zale

ść

dzy pr

dem i napi

ciem jest przedstawiona na wykresie 2.2.a.

Krzywa wykazuje,

e pr

d zaczyna płyn

ąć

przez elektrolizer od pewnej warto

przyło

onego napi

cia. Rozkład wody na wodór i tlen nast

puje tylko wtedy gdy przez

elektrolizer płynie pr

d. W naszym przykładzie ten proces zachodzi przy napi

ciu

kszym ni

1,5V (patrz tablica 2.2.a).

Napi

cie rozkładu jest wyznaczone przez punkt przeci

cia osi napi

cia i prostej

przybli

cej strom

ęść

charakterystyki.

Teoretyczne napi

cie rozkładu wynosi 1,23V. Poni

ej tej warto

ci rozkład nie zachodzi.

Jednak

e w praktyce to napi

cie jest wy

sze z powodu rezystancji przej

ciowych.

Ró

nica mi

dzy warto

teoretyczn

i rzeczywist

tego napi

cia zale

y od wielu

czynników, np. od typu i składu materiału elektrod, elektrolitu i temperatury.

=1,5V

2.3. Sprawno

ść

energetyczna i sprawno

ść

Faradaya elektrolizera PEM

Przed rozpocz

ciem eksperymentu nale

y zapozna

z zasadami bezpiecze

stwa i

Instrukcj

Obsługi

Aparatura

•

elektrolizer PEM

•

wyskalowany zbiornik wodoru do celów eksperymentalnych

•

woltomierz i amperomierz

•

stoper

•

ródło napi

cia

a) regulowane

b) alternatywnie: nieregulowane np.: moduł słoneczny ze

ródłem

wiatła

Wykonanie

wiczenia

a) ze

ródłem regulowanym: Podł

cz elektrolizer do

ródła napi

cia jak na

schemacie 2.3.a. Napi

cie musi by

ksze od 1,5 VDC lecz mniejsze od 2V.

Dla baterii elektrolizerów to napi

cie b

dzie wielokrotno

(równ

ilo

pojedynczych elektrolizerów w tej baterii) tego napi

cia .

Regulowane

ródło napi

cia

elektrolizer

Schemat obwodu 2.3.a: układ do wyznaczania sprawno

ci energetycznej i sprawno

Faradaya elektrolizera z regulowanym

ródłem napi

cia

b) ze

ródłem nieregulowanym: Podł

cz elektrolizer do modułu słonecznego i o

wietl

go. To da napi

cie pomi

dzy 1,5 V i 2V.

Procedury i dane

Uruchom aparatur

tak jak to opisano w Instrukcji Obsługi.

Przed rozpocz

ciem pomiarów elektrolizer powinien kilka minut pracowa

. Wył

napi

cie i otwórz zawory wylotowe gazów aby opró

elektrolizer. Po usuni

ciu gazów

napełnij elektrolizer wod

destylowan

. Poziom wody musi odpowiada

kresce

oznaczonej 0 cm

na elektrolizerze, przy patrzeniu w poziomie. Zamknij teraz zawory

wylotowe gazów.

Rozpocznij pomiar czasu w momencie przył

czenia elektrolizera do

ródła napi

cia.

Zapisuj napi

cie przyło

one do elekrtolizera i warto

ść

du. Zapisuj czas, pr

d i napi

cie

gdy poziom wody w zbiorniczku osi

ga główne znaczniki. dokonaj równie

pomiaru gdy

zbiornik gazu zostanie całkowicie napełniony (20 cm3 w naszym przypadku).

Przykład (dla elektrolizera h-tec Junior)

[cm

]

t [s]

U [V]

I [A]

P [W]

1,9

1,73

3,29

1,9

1,73

3,29

1,9

1,73

3,29

1,9

1,73

3,29

1,9

1,73

3,29

Tablica 2.3.a

Elektrolizer PEM wytwarza wodór i tlen je

li przyło

one napi

cie przekracza napi

cie

rozkładu.

Sprawno

ść

energetyczna

Podstawy

Sprawno

ść

energetyczna

ηηηη

energy

jest stosunkiem energii u

ytecznej E

do energii

pobranej E

. Energia u

yteczna jest to energia chemiczna zmagazynowana w

wytworzonym wodorze, energia pobrana jest to energia elektryczna dostarczona

elektrolizerowi.

elektryczn

wodoru

energy

Analiza (cz

ęść

Wykonaj wykres obj

ci wyprodukowanego gazu w funkcji czasu

100

Wykres 2.3.a Zale

ść

obj

ci wyprodukowanego gazu od czasu

Analiza (cz

ęść

Obliczenie sprawno

ci energetycznej elektrolizera.

Przykład (dla elektrolizera h-tec Junior)

energy

⋅

843

745

≈

⋅

−

energy

gdzie

ciepło spalania

wodoru = 12,745 x 10

J/m

obj

ść

wyprodukowanego wodoru w m

napi

cie w V

d w A

czas w s

Ciepło spalania (calorific value) jest definiowane jako energia wydzialona w czasie

spalania (utleniania) substancji. Uwzgl

dnia ono energi

zawart

w parze wodnej jako

ciepło kondensacji. (Ta energie nie mo

e by

wykorzystana w konwencjonalnych

systemach spalania. Definiuje si

równie

wielko

ść

która tego ciepła nie zawiera, jest to

warto

ść

opałowa (heating value) która jest wykorzystywana do obliczania sprawno

systemów grzewczych, maszyn i ogniw paliwowych.)

Dyskusja

Tablica wyra

nie wykazuje,

e zu

ycie energii przez elektrolizer jest stałe w czasie.

Równie

wielko

ść

produkcji wodoru jest stała w czasie, poniewa

jest to linowa funkcja

czasu.

Sprawno

ść

energetyczna elektrolizera w naszym przykładzie wynosi 84%. Oznacza to,

e 84% energii elektrycznej zu

ytej przez elektrolizer jest zmagazynowane w wodorze.

Straty wynikaj

z ró

nic pomi

dzy teoretycznym i rzeczywistym napi

ciem rozkładu dla

poszczególnych elektrod, z rezystancji wewn

trznej urz

dzenia i ze strat dyfuzji gazów w

celach.

Sprawno

ść

Faradaya elektrolizera PEM

Podstawy

Zale

ść

dzy pr

dem i teoretyczn

obj

wytworzonego gazu mo

wyznaczy

przy u

yciu drugiego prawa Faradaya i równania stanu gazu

doskonałego. Sprawno

ść

Faradaya ogniwa paliwowego wyznacza si

jako

stosunek wyliczonej teoretycznej obj

ci gazu do obj

ci rzeczywistej.

Analiza

Drugie prawo Faradaya ma posta

⋅

Równanie stanu gazu idealnego ma posta

⋅

c te dwa równania otrzymujemy

⋅

gdzie:

Teoretyczna obj

ść

wytworzonego gazu w m

uniwersalna stała gazowa 8,314 J/mol·K

nienie otoczenia w Pa (1Pa=1N/m

)

stała Faradaya 96485 C/mol (1C=1As)

temperatura otoczenia w K

d w A

czas w s

liczba elektronów koniecznych do uwolnienia cz

steczki dla H

= 2, tzn 2 mole

elektronów s

potrzebne do uwolnienia 1 mola H

, dla O

= 4

W przypadku szeregowej baterii elektrolizerów pr

d płynie przez ka

dy z nich,

wytworzony gaz jest sum

gazów wytworzonych w poszczególnych elektrolizerach.

013

96485

298

314

⋅

mol

oblicz

=2,02·10

-5

=20,2cm

Sprawno

ść

Faradaya wyznaczamy z zale

oblicz

wytworzony

Faradaya

Obj

ść

gazu wytworzonego w do

wiadczeniu wynosi;

H2wytworzony

=20 cm

d sprawno

ść

Faradaya jest :

Faradaya

Dyskusja

Ró

nica pomi

dzy teori

(

=100% ) i praktyk

(

Faradaya

=99%) wynosi 1%. Wynika ona z

dyfuzji gazów w celach. Straty dyfuzji wynikaj

z tego,

e cz

ęść

gazów dyfunduje przez

membran

elektrolizera, reaguje w kontakcie z katalizatorem i tworzy wod

elektrolizerze.

Eksperymenty z ogniwami paliwowymi PEM

Do tych eksperymentów ogniwo paliwowe musi by

dobrze nawil

one (patrz instrukcja

obsługi). Jednak

e je

li wewn

trz ogniwa jest zbyt wiele kropli, mo

e to utrudni

gazowi

przepływ i ogniwo nie b

dzie mogło wła

ciwie pracowa

. Dlatego proponujemy

eby:

•

Rozpoczynaj

c prac

ogniwa trzyma

le Instrukcji Obsługi

•

Zatrzyma

prac

na chwil

wył

czaj

c zasilanie elektrolizera i odł

czaj

c obci

ąż

enia

ogniwa paliwowego.

•

Odł

czy

ęż

e doprowadzaj

ce gazy do ogniwa ze zbiorniczków, otworzy

zaciski

wentylacyjne ogniwa paliwowego i krótko ale silnie przedmucha

ogniwo (z obu

stron). To powinno usun

ąć

krople wody z ogniwa.

•

Zamkn

ąć

zaciski wentylacyjne i podł

czy

ęż

e do zbiorniczków.

2.4. Charakterystyka napi

ciowo-pr

dowa i krzywa mocy ogniwa

paliwowego PEM

Przed rozpocz

ciem eksperymentu nale

y zapozna

z zasadami bezpiecze

stwa i

Instrukcj

Obsługi

Podstawy

Ogniwo paliwowe przekształca energi

chemiczn

zmagazynowan

w wodorze i

tlenie bezpo

rednio w energi

elektryczn

. Wodór i tlen s

doprowadzane do ogniwa

paliwowego gdzie reaguj

ze sob

tworz

c wod

i oddaj

c energi

elektryczn

ciepło.

Moc oddawana przez ogniwo zale

y od rezystancji obci

ąż

enia. Celem tego

eksperymentu jest wyznaczenie rezystancji i tym samym pr

du dla optymalnej mocy.

Aparatura

•

elektrolizer PEM

•

woltomierz i amperomierz

•

opornik dekadowy, zmienny lub wyskalowany potencjometr

•

ródło wodoru

a) elektrolizer, w tym przypadku b

równie

potrzebne:

ródło energii, takie jak moduł słoneczny lub zasilacz laboratoryjny

ródło

wiatła do o

wietlenia modułu słonecznego

•

zbiornik wodoru, np. ci

nieniowa butla z wodorem, zbiornik metalowo-wodorkowy.

Wykonanie

wiczenia

Poł

cz aparatur

zgodnie ze schematem 2.4.a

Schemat 2.4.a Schemat obwodu do wyznaczania charakterystyki pr

dowo-napi

ciowej

ogniwa paliwowego

Procedury i dane

Uruchom przyrz

dy zgodnie z Instrukcj

Obsługi.

W przypadku ogniwa paliwowego wodorowo-powietrznego nie jest potrzebny tlen, to

znaczy,

e poni

sza instrukcja odnosi si

tylko do wodoru.

a) Poł

cz elektrolizer ze

ródłem napi

cia w celu wytworzenia wodoru i tlenu. Poł

wyj

cia elektrolizera z wej

ciami ogniwa paliwowego (najlepiej za po

rednictwem

wyskalowanego zbiornika, jest to idealne do celów eksperymentalnych). Zamknij

wyj

cia ogniwa paliwowego. Po wytworzeniu co najmniej 5 cm3 wodoru, otwórz

wyj

cia ogniwa paliwowego, przedmuchaj je gazem i zamknij. Taka procedura

usuwa pozostało

ci gazu i musi by

wykonana aby unikn

ąć

bł

dów pomiarowych.

Ogniwo
paliwowe

opornik
dekadowy

eby zapobiec zu

ywaniu wodoru przez ogniwo paliwowe na tym etapie, obwód

zewn

trzny ogniwa musi by

otwarty (nie ma przepływu pr

du).

Teraz rozpocznij produkcj

wodoru. Rozpocznij zapisywanie danych do charakterystyki

dowo-napi

ciowej od otwartego obwodu (R=

∞

), potem wł

cz opornik dekadowy i

stopniowo zmniejszaj jego rezystancj

. Dla ka

dego obci

ąż

enia zapisuj warto

ci pr

du i

napi

cia. Aby otrzyma

warto

ci reprezentatywne nale

y po ka

dej zmianie odczeka

20s.

Przykład (dla eksperymentalnego systemu wodorowego h-tec JuniorBasic)

Ω

]

U [V]

I[A]

P [W]

P=U

∞

0,99

0,00

0,000

330

0,97

0,01

0,001

100

0,94

0,01

0,001

0,90

0,03

0,027

0,84

0,08

0,067

3,3

0,76

0,22

0,167

0,62

0,56

0,347

0,33

0,47

1,05

0,494

0,1

0,32

1,43

0,458

0,24

1,61

0,386

Tablica 2.4.a Wyniki pomiarów napi

cia i pr

du dla ró

nych rezystancji obci

ąż

enia

b) Zamknij wyj

cia ogniwa paliwowego. Poł

cz wyj

cia

ródła wodoru do wej

ść

ogniwa paliwowego (patrz Instrukcj

Obsługi). Otwórz wyj

cia ogniwa

paliwowego, przeczy

ść

ogniwo wodorem, potem zamknij wyj

cia. To usuwa

pozostało

ci gazu powoduj

ce bł

dy pomiarowe. Aby zapobiec zu

ywaniu

wodoru przez ogniwo przed pomiarami, jego obwód zewn

trzny musi by

otwarty

(nie ma przepływu pr

du).

Przy pomiarach charakterystyki pr

dowo-napi

ciowej ogniwa rozpocznij od pomiaru przy

otwartym obwodzie. Potem wł

cz opornik dekadowy i wykonuj

c pomiary zmniejszaj

stopniowo jego rezystancj

. Po ka

dej zmianie odczekaj 20 sekund aby uzyska

reprezentatywny wynik.

Analiza

Wykonaj wykres charakterystyki pr

dowo-napi

ciowej.

0,2

0,4

0,6

0,8

1,2

0,2

0,4

0,6

0,8

1,2

1,4

1,6

1,8

I[A]

]

Wykres 2.4.a Charakterystyka pr

dowo-napi

ciowa ogniwa paliwowego

Wykonaj wykres mocy w funkcji pr

-0,1

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,2

0,4

0,6

0,8

1,2

1,4

1,6

1,8

I [A]

[

]

Wykres 2.4.b Krzywa mocy ogniwa paliwowego

Dyskusja

Z powy

szej krzywej mo

na odczyta

warto

ść

du dla której ogniwo paliwowe oddaje

najwi

ksz

moc. Ogniwo ma maksymaln

moc dla pr

du 1,05A co odpowiada

rezystancji obci

ąż

enia 0,33

Ω

(patrz tablica 2.4.a).

2.5. Sprawno

ść

energetyczna i sprawno

ść

Faradaya ogniwa paliwowego

PEM

Przed rozpocz

ciem eksperymentu nale

y zapozna

z zasadami bezpiecze

stwa i

Instrukcj

Obsługi

Aparatura

•

ogniwo paliwowe PEM

•

ródło wodoru np. elektrolizer PEM, wyskalowany zbiornik wodoru

•

ródło napi

cie, je

li jest wykorzystywany elektrolizer np. moduł słoneczny lub

zasilacz laboratoryjny

•

ródło

wiatła, je

li jest wykorzystywany moduł słoneczny

•

woltomierz i amperomierz

•

opornik dekadowy, zmienny lub wyskalowany potencjometr

•

stoper

Wykonanie

wiczenia

Poł

cz aparatur

zgodnie ze schematem 2.5.

Ogniwo
paliwowe

opornik
dekadowy

Schemat 2.5. Układ do wyznaczania sprawno

ci energetycznej i Faradaya ogniwa paliwowe

Procedury i dane

Uruchom przyrz

dy zgodnie z Instrukcj

Obsługi.

Podł

cz wyj

cie zbiorniczka wodoru elektrolizera do wej

cia ogniwa paliwowego.

Zamknij wyj

cie ogniwa paliwowego. Wyprodukuj ok. 20 cm

wodoru, po czym na chwil

otwórz wylot ogniwa paliwowego aby je przewentylowa

. Wyprodukuj maksymaln

, mo

liw

w tym układzie obj

ść

wodoru (w tym przykładzie 20 cm

). Wył

cz zasilanie elektrolizera.

Odł

cz opornik dekadowy od ogniwa paliwowego i ustaw rezystancj

przy której ma by

wyznaczana sprawno

ść

. poł

cz opornik dekadowy z ogniwem paliwowym i rozpocznij

wykonywa

pomiary.

Zapisuj zmierzony czas, pr

d i napi

cie ogniwa dla ustalonych obj

ci wodoru. Nie

zmieniaj rezystancji. Upewnij si

e nie ma nadmiernych fluktuacji pr

du. Ka

de istotne

zmniejszenie warto

ci pr

du jest prawdopodobnie wywołane pozostało

ciami gazu które

utrudniaj

działanie ogniwa paliwowego. Najprawdopodobniej nie b

dzie to istotnym

problemem poniewa

e to wyst

powa

wtedy gdy w zbiorniczku pozostanie mała ilo

ść

wodoru (mniej ni

5 cm

)

Przykład (dla eksperymentalnego systemu wodorowego h-tec JuniorBasic)

Zawarto

ść

zbiorniczka

[cm

]

t [s]

U [V]

I [A]

P [W]

0,73

0,21

0,153

175

0,72

0,21

0,151

356

0,72

0,21

0,151

Warto

rednie

0,72

0,21

0,152

Sprawno

ść

energetyczna ogniwa paliwowego PEM

Podstawy

Sprawno

ść

energetyczna

ηηηη

energy

jest stosunkiem energii u

ytecznej E

do energii

pobranej E

. Energia u

yteczna jest to energia rozproszona w oporniku

dekadowym, podczas gdy energia pobrana jest to energia chemiczna

zmagazynowana w wytworzonym wodorze.

wodoru

elektryczn

energy

Analiza (cz

ęść

Wykonaj wykres zale

ci zu

ytego wodoru od czasu.

100

150

200

250

300

350

400

t [s]

]

100

150

200

250

300

350

400

Wykres 2.5.a Zale

ść

zawarto

ci zbiorniczka wodoru od czasu

Analiza (cz

ęść

Oblicz sprawno

ść

energetyczn

ogniwa paliwowego.

wodoru

elektr

energy

⋅

498

356

≈

⋅

−

energy

gdzie:

warto

ść

opałowa

wodoru = 10,8 x 10

J/m

obj

ść

ytego wodoru w m

napi

cie w V

d w A

czas w s

Ciepło spalania (calorific value) jest definiowane jako energia wydzielona w czasie

spalania (utleniania) substancji. Uwzgl

dnia ono energi

zawart

w parze wodnej jako ciepło

kondensacji. (Ta energie nie mo

e by

wykorzystana w konwencjonalnych systemach

spalania. Definiuje si

równie

wielko

ść

która tego ciepła nie zawiera, jest to warto

ść

opałowa (heating value) która jest wykorzystywana do obliczania sprawno

ci systemów

grzewczych, maszyn i ogniw paliwowych.)

Dyskusja

Z tablicy i z wykresu wyra

nie wida

e moc elektryczna ogniwa paliwowego a tak

ycie wodoru w czasie s

w przybli

eniu stałe.

Sprawno

ść

energetyczna ogniwa paliwowego w naszym przypadku wynosi 50% to

znaczy,

e 50% energii zgromadzonej w wodorze zostało przetworzone na energi

elektryczn

. Ogniwo paliwowe wytwarza równie

ciepło. Je

li nie zostanie wykorzystane ono,

to nale

y je uwa

za strat

energii. Do oblicze

idealnej sprawno

jest definiowane

jako stosunek wolnej entalpii reakcji

∆

G (praca uwolniona w czasie reakcji, np. jako energia

elektryczna) do entalpii reakcji

∆

H (energia uwolniona w czasie reakcji.

∆

Uwolnione w czasie reakcji ciepło jest ró

nic

pomi

dzy woln

entalpi

reakcji

∆

G i

entalpi

reakcji

∆

⋅

∆

⋅

∆

mol

Kmol

285840

985

162

298

−













−

⋅

−

∆

⋅

−

∆

⋅

−

∆

gdzie:

T temperatura =298K

∆

entropia reakcji = -162,985 J/kmol

∆

entalpia reakcji = -285840 J/mol

Straty napi

cia które równie

przetwarzaj

na ciepło dodatkowo obni

sprawno

ść

Te straty i straty spowodowane rezystancj

wewn

trzn

ogniwa a tak

e stratami dyfuzyjnymi

w ogniwie s

przyczyn

tego,

e napi

cie wyj

ciowe ogniwa nie osi

ga idealnej warto

1,23V.

Podobnie jak w elektrolizerze, sprawno

ść

ogniwa paliwowego silnie zale

y od mocy.

li obci

ąż

enie ma du

żą

rezystancj

elektryczn

to chocia

ogniwo paliwowe ma wysok

sprawno

ść

to pracuje ono przy tylko cz

ęś

ciowym obci

ąż

eniu. Moc oddawana jest z tego

powodu mniejsza ni

ogniwo mogłoby wytwarza

W celu okre

lenia rezystancji obci

ąż

enia przy której moc oddawana przez ogniwo jest

najwi

ksza, ten eksperyment mo

e by

powtórzony przy ró

nych rezystancjach (zalecane 10

do 0,1

Ω

Sprawno

ść

Faradaya ogniwa paliwowego Pem

Podstawy

Zale

ść

dzy pr

dem i teoretyczn

obj

ytego gazu mo

wyznaczy

przy u

yciu drugiego prawa Faradaya i równania stanu gazu

doskonałego. Sprawno

ść

Faradaya ogniwa paliwowego wyznacza si

jako

stosunek wyliczonej teoretycznej obj

ci gazu do obj

ci rzeczywistej.

Analiza

Drugie prawo Faradaya ma posta

⋅

Równanie stanu gazu idealnego ma posta

⋅

c te dwa równania otrzymujemy

⋅

Gdzie:

Teoretyczna obj

ść

wytworzonego gazu w m

uniwersalna stała gazowa 8,314 J/mol·K

nienie otoczenia w Pa (1Pa=1N/m

)

stała Faradaya 96485 C/mol (1C=1As)

temperatura otoczenia w K

d w A

czas w s

liczba elektronów koniecznych do uwolnienia cz

steczki dla H

= 2, tzn 2 mole

elektronów s

potrzebne do uwolnienia 1 mola H

, dla O

= 4

W przypadku szeregowej baterii elektrolizerów pr

d płynie przez ka

dy z nich,

wytworzony gaz jest sum

gazów wytworzonych w poszczególnych elektrolizerach.

Sprawno

ść

Faradaya wyznaczamy z relacji

zużuży

obliczone

Faradaya

Przykład (dla eksperymentalnego systemu wodorowego h-tec JuniorBasic)

H2(zużyte)

=10cm

013

96485

356

298

314

⋅

mol

oblicz

H2(oblicz)

=9,48*10

-6

=9,48 cm

948

≈

Faradaya

Dyskusja

Obj

ść

gazu rzeczywi

cie zu

yta jest nieco wi

ksza od obliczeniowej. Powodem tego

straty dyfuzyjne podobne do tych jakie wyst

powały w elektrolizerze.

Zgodnie z wynikami pomiarów sprawno

ść

Faradaya jest nieco ni

sza od tej sprawno

w przypadku elektrolizera. Przyczyn

tej ró

nicy jest mniejszy pr

d płyn

cy przez ogniwo.

Według Faradaya, powodem jest to,

e wi

cej czasu potrzeba na utworzenie wody ni

na jej

rozbicie. W dłu

szym czasie wi

cej wodoru dyfunduje przez membran

i jest tracone

bezu

ytecznie.

2.6. Charakterystyki pr

dowo napi

ciowe bezpo

redniego ogniwa

metanolowego (DMFC)

Przed rozpocz

ciem eksperymentu nale

y zapozna

z zasadami bezpiecze

stwa i

Instrukcj

Obsługi

Ostrze

enie: Metanol jest truj

Podstawy

Moc oddawana przez DMFC zale

y od rezystancji obci

ąż

enia. Nale

y wyznaczy

rezystancj

przy której moc jest maksymalna.

Aparatura

•

bezpo

rednie metanolowe ogniwo paliwowe

•

roztwór metanolu (<3%)

•

woltomierz i amperomierz

•

opornik dekadowy, zmienny lub wyskalowany potencjometr

Wykonanie

wiczenia

Poł

cz przyrz

dy zgodnie ze schematem 2.6.

Bezpo

rednie

metanolowe
ogniwo
paliwowe

opornik
dekadowy

Schemat 2.6. Obwód do wyznaczania charakterystyki pradowo-napi

ciowej bezpo

redniego

metanolowego ogniwa paliwowego DMFC

Procedury i dane

Przed rozpocz

ciem pomiarów ogniwo DMFC musi odsta

kilka minut z roztworem

metanolu aby osi

ło stan ustalony i wyniki były reprezentatywne.

Wykonywanie pomiarów nale

y rozpocz

ąć

od otwartego obwodu nast

pnie nale

stopniowo zmniejsza

rezystancj

opornika dekadowego. Po ka

dej zmianie nale

odczeka

20 s przed wykonaniem pomiaru, aby wskazania si

ustaliły.

Przykład (przy wykorzystaniu ogniwa Premium DMFC)

Ω

]

U [V]

I[A]

P [mW]

P=U

∞

0,60

0,00

0,0

330

0,60

0,00

0,0

100

0,59

0,01

5,9

0,57

0,02

11,4

0,50

0,05

25,0

3,3

0,41

0,12

49,2

0,28

0,26

72,8

0,33

0,18

0,38

68,4

0,1

0,10

0,50

50,0

0,06

0,54

32,4

Tablica 2.6. Pomiary napi

cia i pr

du a zale

ci od rezystancji obci

ąż

enia.

Analiza

Wykorzystuj

c wyniki pomiarów wykonaj wykres napi

cia w funkcji pr

du.

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

I [A]

[

]

Wykres 2.6.a. Charakterystyka pr

dowo-napi

ciowa bezpo

redniego metanolowego ogniwa

paliwowego

Wykonaj wykres mocy ogniwa w funkcji pr

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

I [A]

[

]

Wykres 2.6.b Krzywa mocy bezpo

redniego ogniwa metanolowego

Dyskusja

3.1 Informacje do pracy

3.1.1. Cykl energetyczny słoneczno-wodorowy

Nasze całkowite zasoby paliw kopalnych s

ograniczone.

2000

2050

2100

2150

2200

2250

Rok

Uran

Gaz

ziemny

Ropa

naftowa

giel

Rys. 3.1.1 Przewidywana dost

pno

ść

paliw kopalnych i j

drowego (w oparciu o obecne

ycie)

Niezb

dne zmiany w naszym systemie zaopatrzenia w energi

liwe je

dziemy mogli wykorzysta

energi

odnawialn

jak na przykład słoneczn

, wiatru lub wody

jako podstawow

ęść

rynku energii.

Problemem z którym si

spotykamy przy wykorzystaniu ogniw słonecznych lub

elektrowni wiatrowych do produkcji energii elektrycznej polega na tym,

e zapotrzebowanie

na energi

elektryczn

i mo

liwo

ść

jej produkcji nie musz

pokrywa

w czasie. Na

przykład ogniwa słoneczne b

dostarczały energi

w ci

gu dnia a ta energia b

dzie

potrzebna do o

wietlenia w nocy. Podobnie elektrownia wiatrowa b

dzie dostarcza

energi

w czasie gdy wieje wiatr. W takich przypadkach gdy mo

liwo

ci produkcji nie pokrywaj

zapotrzebowaniem w czasie lub w miejscu, konieczna jest mo

liwo

ść

wygodnego

magazynowania i przesyłania energii. Tak

liwo

ść

daje wodór. Kombinacja

wykorzystania energii słonecznej do produkcji energii elektrycznej i wykorzystania wodoru

jako no

nika energii do jej magazynowania i przesyłania jest nazywana cyklem słoneczno-

wodorowym. W czasie gdy ogniwa słoneczne i elektrownie wiatrowe produkuj

cej energii

elektrycznej ni

wynosi zapotrzebowanie, zb

dna energia jest wykorzystywana do produkcji

wodoru. Proces ten zachodzi w elektrolizerach, w których woda jest rozdzielana na wodór i

tlen. Wodór (i potencjalnie tlen) mo

e by

magazynowany i transportowany. Energi

elektryczn

z wodoru produkuje si

w ogniwach paliwowych. W czasie reakcji wodór ł

czy

z tlenem. Produktami s

woda, energia elektryczna i cieplna. Wykorzystanie wodoru w

tym cyklu pozwala na produkcj

energii elektrycznej w dogodnym miejscu i czasie.

Energie odnawialne: co to jest i jak je wykorzystywa

Energie odnawialne to

ródła energii które s

w sposób ci

gły odnawiane w naturalnych

procesach zachodz

cych w ludzkiej skali czasowej. W przeciwie

stwie do tego, paliwa

kopalne (w

giel, gaz ziemny, ropa naftowa) potrzebuj

milionów lat procesów geologicznych

do powstania. Energie odnawialne z drugiej strony s

rzeczywi

cie niewyczerpywalne.

Do odnawialnych

ródeł energii mo

na zaliczy

Energi

słoneczn

Energia słoneczna otacza nas w ró

nych formach i mo

e by

wykorzystana w

ró

norodny sposób:

•

promieniowanie słoneczne: urz

dzenia fotovoltaiczne, ogrzewanie słoneczne,

•

ruch atmosfery: energia wiatru

•

parowanie, opady: energia hydroelektryczna

•

biomasa: np. biopaliwa, biogaz

Obecnie najcz

ęś

ciej wykorzystywanymi urz

dzeniami korzystaj

cymi z energii

odnawialnej s

ogniwa słoneczne, elektrownie wiatrowe i elektrownie wodne.

Energia pływów (grawitacyjne przyci

ganie Sło

ca, Ziemi i Ksi

ęż

yca).

Elektrownie pływowe wykorzystuj

energi

pływów. Woda jest magazynowana w czasie

przypływu, i wykorzystywana do produkcji energii w turbinach w czasie odpływu.

Energia geotermalna (radioaktywno

ść

i ciepło wn

trza Ziemi)

Elektrownie geotermalne wykorzystuj

ciepło wn

trza Ziemi.

3.1.2. Wodór

Wła

ciwo

ci wodoru

Wodór jest bezbarwnym, bezwonnym i nietoksycznym gazem. Wodór jest pierwiastkiem

o najprostszej budowie atomu. Najcz

ęś

ciej wyst

puj

cy izotop ma w j

drze tylko jeden

proton i nie ma neutronów, w powłoce elektronowej jest tylko jeden elektron. Rzadziej

wyst

puj

cymi izotopami wodoru s

deuter i tryt. Deuter ma w j

drze dodatkowo jeden

neutron, a tryt dwa. Wodór jest nie tylko najmniejszym i najl

ejszym pierwiastkiem, ale i

najcz

ęś

ciej wyst

puj

cym we wszech

wiecie. Na ziemi wyst

puje tylko w zwi

zkach

chemicznych.

Wła

ciwo

ci wodoru

sto

ść

wodoru gazowego (0ºC, 101,3 kPa)

0,08988 kg/m

Temperatura topnienia (101,3 kPa)

-259ºC

Temperatura wrzenia (101,3 kPa)

-252,8ºC

ciepło spalania

12745 kJ/m

warto

ść

opałowa

10800 kJ/m

Warto

ciowo

ść

Metody wytwarzania wodoru

W procesie elektrolizy, zwi

zki chemiczne s

rozkładane przy pomocy pr

elektrycznego. Na przykład elektroliza mo

e by

wykorzystana do rozkładu wody na jej

składniki – wodór i tlen.

W procesie reformingu zło

one zwi

zki w

glowodorowe s

rozkładane.

W procesie krakingu – metody oczyszczania surowej ropy, gaz jest wytwarzany jako

produkt uboczny przy wysokim ci

nieniu i wysokiej temperaturze.

Reakcja

elaza z par

wodn

w wysokich temperaturach.

W procesie produkcji gazu wodnego koks i para wodna reaguj

w wysokich

temperaturach, produktem jest gaz wodny.

Składowanie wodoru

Opracowanie sprawnych zbiorników na wodór jest jednym z istotnych wyzwa

zwi

zanych z stosowaniem wodoru. Czynnikami decyduj

cymi s

tu mo

liwo

ci składowania

wodoru, zachowanie przy magazynowaniu, nakłady przy produkcji i koszty produkcji. Do tej

pory pojawiły si

trzy główne technologie które s

konsekwentnie promowane.

Składowanie spr

ęż

onego gazu

Nakłady na wytwarzanie i koszty produkcji konwencjonalnych butli na spr

ęż

one gazy s

niskie i z tego powodu jest to najlepsza metoda je

li nie ma ogranicze

co do zajmowanej

przestrzeni i wysoki ci

ęż

ar jest mo

liwy do zaakceptowania. Poniewa

butle na spr

ęż

one

gazy s

projektowane na ci

nienie 200 bar i wi

c obj

ść

składowanego w nich gazu jest

wielokrotno

ich obj

ci (warunki normalne). Butle s

zwykle stosowane w instalacjach

stacjonarnych.

Ostatnio do budowy zbiorników na spr

ęż

one gazy stosyje si

glowe materiały

kompozytowe. S

one l

ejsze ni

konwencjonalne, a ponadto s

projektowane na ci

nienia

do 350 bar (w przyszło

ci mo

liwe s

nienia do 700 bar).

Składowanie wodoru w postaci ciekłej

Wodór skrapla si

w temperaturze -253ºC. Skroplony wodór jest przechowywany w

zbiornikach kriogenicznych utrzymuj

cych go we wła

ciwej temperaturze (-253ºC) dzi

odpowiedniej izolacji termicznej. Przez kilka pierwszych dni po napełnieniu, wodór mo

e by

przechowywany bez strat. Po tym okresie, z powodu rosn

cej temperatury w zbiorniku wodór

zaczyna parowa

. Ze wzgl

du na konieczno

ść

odprowadzania gazowego wodoru (aby nie

dopu

do wzrostu ci

nienie w zbiorniku) straty odparowania staj

znacz

ce. Przy

dzisiejszej technologii te straty wynosz

około 0,4% obj

ci zbiornika na dob

. Do

skroplenia wodoru konieczna jest energia równa około 1/3 energii składowanego wodoru.

Składowanie wodoru w wodorkach metali

Zbiorniki do składowania t

metod

zawieraj

specjalne stopy metali, które mog

składowa

wodór w swojej siatce krystalicznej. Ze wzgl

du na konieczno

ść

uzyskania jak

najwi

kszej powierzchni stopy s

w postaci sproszkowanej. Wodór jest wprowadzany do

zbiornika pod niewielkim nadci

nieniem i reaguje ze stopem metalu tworz

c wodorki. Ten

proces jest egzotermiczny, wydzielone ciepło trzeba odprowadzi

ze zbiornika. Aby uwolni

wodór z wodorku nale

y dostarczy

ciepło do zbiornika.

Zbiorniki z wodorkami metali maj

wysok

obj

ciow

sto

ść

magazynowania

wodoru, jednak

e wagowa g

sto

ść

magazynowania jest niska. Obecnie s

prowadzone

prace nad uzyskaniem l

ejszych materiałów do magazynowania. Uzyskanie takich

materiałów pozwoli na poprawienie wagowej g

sto

ci magazynowania wodoru.

3.1.3. Ogniwa paliwowe

Zasada działania ogniwa paliwowego jest odwrotna do działania elektrolizera. Tak jak i

elektrolizer ogniwo składa si

z elektrody dodatniej, ujemnej i elektrolitu.

Typy ogniw paliwowych

Ogniwo paliwowe

Elektrolit

Temperatura

pracy

Sprawno

ść

elektryczna

Paliwo

utleniacz

Alkaliczne ogniwo

paliwowe AFC

Roztwór wodorotlenku

potasu (KOH)

pokojowa do

90ºC

60-70%

ogniwo paliwowe z

membran

umo

liwiaj

wymian

protonów

PEMFC

membrana

umo

liwiaj

wymian

protonów

pokojowa do

80ºC

40 –80 %

, powietrze

Bezpo

rednie

metanolowe ogniwo

paliwowe DMFC

membrana

umo

liwiaj

wymian

protonów

pokojowa do

130ºC

20 –30%

, powietrze

Ogniwo paliwowe z

kwasem fosforowym

PAFC

kwas fosforowym

160 - 220ºC

55%

Gaz ziemny, biogaz, H

, powietrze

Ogniwo paliwowe ze

stopionymi w

glanami

MCFC

Stopiona mieszanina

glanów metali

alkalicznych

620 - 680ºC

85%

Gaz ziemny, biogaz, gaz ze

zgazowania w

gla, H

, powietrze

Ogniwa paliwowe z

zestalonym elektrolitem

tlenkowym

SOFC

Ceramika

przewodz

ca jony

tlenu

800 - 1000ºC

80 –85%

Gaz ziemny, biogaz, gaz ze

zgazowania w

gla, H

, powietrze

Ogniwo paliwowe PEM przekształca z du

żą

sprawno

energi

chemiczn

na energi

elektryczn

. Elektrolitem jest cienka polimerowa membrana przewodz

ca jony wodoru.

Membrana jest z obu stron pokryta katalizatorem. Warstwy katalizatora tworz

anod

katod

. Poł

czone pojedyncze ogniwa tworz

bateri

o napi

ciu które mo

na dopasowa

wymaga

dobieraj

c odpowiedni

liczb

ogniw. Mo

liwo

ść

uzyskania wymaganego napi

cia,

wysoka sprawno

ść

i dobre wła

ciwo

ci zimnego startu ogniw PEM czyni te ogniwa

wygodnymi w szerokim zakresie zastosowa

Jak pracuje ogniwo paliwowe PEM

Gazowy wodór, dzi

ki katalizatorowi (np. platynie), ulega jonizacji na anodzie. Jony H+

przechodz

przez membran

polimerow

przewodz

protony do katody. Je

li zewn

trzny

obwód jest zamkni

ty elektrony przepływaj

przez niego do katody wykonuj

c prac

. Jony

wodoru, elektrony i atomy tlenu reaguj

ze sob

daj

c wod

Reakcja na anodzie:



+ 4e

Reakcje na katodzie:

O2 + 4H

+ 4e



Reakcje sumaryczne

+ O



3.1.4. Elektrolizer

Elektroliza polega na rozkładzie zwi

zków chemicznych przy pomocy pr

elektrycznego. Na przykład, elektroliza mo

e by

wykorzystana do rozkładu wody na wodór i

tlen.

W zasadzie elektrolizer składa si

•

ujemnie naładowanej katody, do której migruj

jony dodatnie,

•

dodatnio naładowanej anody, do której migruj

jony ujemne,

•

elektrolitu, materiału w którym jest mo

liwe przewodnictwo jonowe.

Typy elektrolizerów ró

elektrodami i elektrolitem. Elektrolit mo

e by

ciekły lub

stały np. membrana polimerowa (Polymer Electrolyte Membrane – PEM).

Elektrolizery PEM wyró

niaj

bardzo prost

i zwart

budow

. Rdzeniem elektrolizera

PEM jest cienka polimerowa membrana przewodz

ca jony, pokryta z obu stron materiałem

katalizatora. Te dwie warstwy tworz

katod

i anod

ogniwa. Po doprowadzeniu stałego

napi

cia elektrolizer rozkłada wod

na tlen i wodór. Aby ten proces mógł zachodzi

, napi

cie

musi przekracza

napi

cie rozkładu, które dla wody wynosi 1,23V (teoretycznie). W praktyce

ten próg jest wi

kszy z powodu rezystancji styków. Elektrolizery s

budowane jako baterie

szeregowo poł

czonych jednostek. Elsktrolizery PEM osi

gaj

sprawno

ść

do 85%.

Jak pracuje elektrolizer PEM

li pr

d stały płynie przez ogniwo, na anodzie molekuły wody s

utleniane daj

c tlen,

jony wodoru i elektrony. Jony wodoru migruj

przez membran

przewodz

jony do katody,

gdzie z elektronami przepływaj

cymi przez zewn

trzny obwód tworz

gazowy wodór.

Gazowy tlen gromadzi si

na anodzie.

Reakcja na anodzie:



+ 4e

+ O

Reakcje na katodzie:

+ 4e



Reakcje sumaryczne



+ O

Nazwa elektrolizera pochodzi od Proton Elektrolite Membrane (równie

Proton

Exchange Membrane). Membrana jest zbudowana z teflonu z grupami SO

H na ko

cach

bocznych ła

cuchów. Je

li membrana jest mokra, uzyskuje charakter kwa

ny i staje si

przewodz

ca dla jonów wodorowych. Aniony nie mog

przechodzi

przez membran

3.2. Rozwi

zania arkuszy studenckich

3.2.1. Cykl energetyczny słoneczno-wodorowy

Pytanie1: Na jak długo wystarcz

jeszcze zasoby energetyczne?

Przewiduje si

e zasoby naturalnego uranu, gazu ziemnego i ropy naftowej b

jeszcze dost

pne przez ponad 50 lat, w

giel prawdopodobnie przez ponad 200 lat. Nale

bra

pod uwag

to,

e zasoby nie wyczerpi

nagle. Zasoby b

malały do gro

nego

poziomu. Ponadto te zasoby s

wykorzystywane nie tylko w energetyce, np. ropa naftowa

jest podstawowym surowcem wykorzystywanym do produkcji tworzyw sztucznych.

Pytanie2: Wymie

składniki cyklu słoneczno-wodorowego

•

Ogniwa słoneczne, elektrownie wiatrowe itp.

•

Elektrolizer

•

Zbiornik wodoru,

•

Ogniwo paliwowe,

•

odbiorca energii elektrycznej

Pytanie3: Jak mo

na opisa

cykl słoneczni-wodorowy?

Ogniwa słoneczne, elektrownie wiatrowe etc. przetwarzaj

energi

słoneczn

w energi

elektryczn

. Ta energia nie zawsze jest wytwarzana wtedy gdy jest na ni

zapotrzebowanie. Niezb

dne jest zastosowanie po

redniego składnika systemu, który

mógłby magazynowa

energi

w czasie gdy jest jej nadmiar i oddawa

gdy jej brak.

Takim elementem mo

e w przyszło

ci by

cykl wodorowy. W czasie gdy energii jest

nadmiar elektrolizery wytwarzałyby wodór – energia elektryczna byłaby zamieniana na

chemiczn

energi

wodoru.

Wodór

byłby

magazynowany

czasu

gdy

zapotrzebowanie na energi

przekroczy produkcj

. Wtedy energia chemiczna wodoru

byłaby przetwarzana w ogniwach paliwowych w energi

elektryczn

Pytanie4: Wymie

trzy pierwotne

ródła energii

•

energia słoneczna (termoj

drowa reakcja fuzji wodoru w hel)

•

energia pływów (oddziaływanie grawitacyjne Ziemi, Sło

ca i Ksi

ęż

yca)

•

energia geotermalna (reakcje j

drowe i ciepło j

dra Ziemi)

Pytanie5: Jak s

wykorzystywane trzy pierwotne

ródła energii do produkcji

energii

Energia słoneczna

Energia słoneczna wyst

puje pod ró

nymi postaciami na skutek konwersji energii:

•

promieniowanie słoneczne (przetwarzanie fotowoltaiczne,, ogrzewanie słoneczne)

•

energia wiatru

•

energia wody z odparowania, opadów

•

biomasa z fotosyntezy.

Ostatecznie paliwa kopalne tylko przechowuj

energi

słoneczn

. W przeciwie

stwie do

paliw odnawialnych paliwa kopalne nie regeneruj

siwe w ludzkiej skali czasowej s

wymagaj

do tego milionów lat. Najcz

ęś

ciej wykorzystywanymi przetwornikami energii

słonecznej s

obecnie ogniwa paliwowe, systemy wiatrowe i elektrownie wodne.

Energia pływów

Elektrownie pływowe wykorzystuj

dy przypływów i odpływów spowodowane przez

podnoszenie si

i opadanie poziomu wody.

Energia geotermiczna

Systemy geotermiczne wykorzystuj

ciepło skorupy ziemskiej. Temperatura wzrasta w

miar

zwi

kszania gł

boko

ci. W systemach geotermicznych gor

ca woda jest

wykorzystywana do celów grzewczych lub do produkcji energii elektrycznej.

3.2.2. Wodór

Pytani 1: wymie

7 wła

ciwo

ci wodoru

1. gaz bezbarwny

2. bezwonny

3. nietoksyczny

4. temperatura topnienia pod normalnym ci

nieniem -259ºC

5. temperatura wrzenia pod normalnym ci

nieniem –252,8ºC

6. najprostsza budowa atomu – 1 proton w j

drze i 1 elektron w powłoce

elektronowej

7. jest to najl

ejszy i najmniejszy pierwiastek.

Pytanie 2: Jakie znasz izotopy wodoru?

1. atom podstawowego izotopu wodoru zawiera w j

drze 1 proton, w powłoce

elektronowej 1 elektron. Jest to najcz

ęś

ciej wyst

puj

cy izotop wodoru

(>99,9%)

2. atom deuteru zawiera w j

drze 1 proton i 1 neutron, w powłoce elektronowej 1

elektron

3. atom trytu zawiera w j

drze 1 proton i 2 neutrony, w powłoce elektronowej 1

elektron

Pytanie 3: Wymie

sposoby wytwarzania wodoru

•

elektroliza

•

reforming

•

kraking w

glowodorów

•

reakcja

elazo-woda

•

produkcja gazu wodnego

Pytanie 4: Wymie

3 najpowszechniejsze metody magazynowania wodoru

1. gazowy w wysokoci

nieniowych zbiornikach (200bar)

2. skroplony w zbiornikach kriogenicznych w temperaturze -253ºC

3. w siatce krystalicznej stopów metali – w wodorkach metali.

3.2.3. Ogniwa paliwowe

Pytanie 1: Wymie

główne cz

ęś

ci ogniwa paliwowego

Elektrody (anoda i katoda), elektrolit

Pytanie 2: Jakie s

podstawowe ró

nice pomi

dzy ogniwami paliwowymi

Rodzaj elektrolitu i temperatura pracy

Pytanie 3:Wymie

typy ogniw paliwowych

AFC, PEMFC, DMFC, PAFC, MCFC, SOFC

Pytanie 4: Opisz zasad

działania ogniwa paliwowego PEM

Gazowy wodór dostarczany do katody, dzi

ki katalitycznemu działaniu elektrody jest

rozdzielany na elektrony i jony wodoru nawet w temperaturze pokojowej. Jony wodorowe

migruj

przez membran

przewodz

jony do katody a elektrony przepływaj

do katody

przez zewn

trzny obwód je

li jest zamkni

ty. Na katodzie jony wodorowe, elektrony i tlen z

powietrza reaguj

tworz

c wod

Pytanie 5: Jaki materiał stosuje si

na katalizator w ogniwie PEM

Platyn

Pytanie 6: Przedstaw reakcje chemiczne zachodz

ce w ogniwie PEM na anodzie,

katodzie i sumaryczne

Reakcja na anodzie:



+ 4e

Reakcje na katodzie:

O2 + 4H

+ 4e



Reakcje sumaryczne

+ O



Pytanie 7: Jakie zalety ma ogniwo PEM w stosunku do

rodowiska

Ma ono wysok

sprawno

ść

a jego produktem jest czysta woda.

Pytanie 8: Jaka jest maksymalna sprawno

ść

ogniwa PEM

Sprawno

ść

elektryczna ogniwa PEM wynosi około 50%. Je

li ciepło wytwarzane przez

ogniwo zostanie wykorzystane np. do celów grzewczych, sprawno

ść

całkowita mo

e wynie

ść

85%.

Pytanie 9: Co to jest bateria

Jest to zestaw poł

czonych ze sob

ogniw w celu osi

gni

cia wy

szego napi

cia, pr

lub mocy

Pytanie 10: W jakich dziedzinach stosuje si

obecnie ogniwa paliwowe

W załogowych i bezzałogowych lotach kosmicznych, w pojazdach elektrycznych, w

elektrociepłowniach.

3.2.4. Elektrolizery

Pytanie 1: Co to jest elektroliza

Jest to zmiana wi

chemicznych w cieczach pod wpływem pr

dy elektrycznego

Pytanie 2: Z czego składa si

elektrolizer

Elektrolizer składa si

z elektrod (ujemnej katody i dodatniej anody) i elektrolitu.

Pytanie 3: Jak mo

e by

otrzymywany wodór w przyszło

ci na du

żą

skal

Przy pomocy elektrolizy w elektrolizerach PEM

Pytanie 4: Wyja

nij co oznacza skrót PEM

PEM pochodzi od angielskiej nazwy membrany elektrolitu - Polymer Electrolyte

Membrane lub od Proton Exchange Membrane

Pytanie 5: Jak

sprawno

ść

maj

elektrolizery PEM

Sprawno

ść

elektryczna elektrolizerów PEM si

ga 85%

Pytanie 6: Jak pracuj

elektrolizery PEM?

li napi

cie stałe zostanie przyło

one do anody, molekuły wody s

utleniane tworz

tlen, jony wodoru i elektrony. Jony wodoru migruj

przez membran

przewodz

jony do

katody gdzie z elektronami przepływaj

cymi przez zewn

trzny obwód tworz

gazowy wodór.

Gazowy tlen gromadzi si

na anodzie.

Pytanie 7: Przedstaw równania reakcji chemicznych wyst

puj

cych w

wodorowym elektrolizerze PEM a) na anodzie , b) na katodzie, c) reakcj

sumaryczn

a) reakcja na anodzie: 2H



+ 4e

+ O

b) reakcje na katodzie: 4H

+ 4e



c) reakcje sumaryczne 2H



+ O

Pytanie 8: Jak

warto

ść

ma napi

cie dekompozycji wody

Napi

cie dekompozycji wody wynosi 1,23V

Pytanie 9 : Wymie

inne sposoby wytwarzania wodoru

Reforming, kraking, reakcja

elazo-woda, proces produkcji gazu wodnego.