Szkoła z przyszłoścą szkolene współfnansowane przez Unę Europejską w ramach Europejskego Funduszu Społecznego Narodowe Centrum Badań Jądrowych, ul. Andrzeja Sołtana 7, 05-400 Otwock-Śwerk ĆWICZENIE 2 L A B O R A T O R I U M F I Z Y K I A T O M O W E J I J Ą D R O W E J Membrana do wymany protonów jako elektrolzer ognwo palwowe Imę nazwsko:...... Imę nazwsko:...... Data pomaru:.... CEL ĆWICZENIA Celem ćwczena jest zapoznane sę z zasadą dzałana membrany do wymany protonów, która może służyć jako elektrolzer lub ognwo palwowe. omary wykonane w ćwczenu pozwalają także na oszacowane sprawnośc zarówno procesu elektrolzy, jak ponownej przemany energ zgromadzonej w palwe wodorowym na elektryczność. 2. UKŁAD DOŚWIADCZALNY Zestaw dośwadczalny stanową: regulowany zaslacz nskonapęcowy (rys. a), elektrolzer z membraną do wymany protonów (rys. b), wodorowe ognwo palwowe z membraną do wymany protonów (rys. c), dwe szczelne zamknęte kolby laboratoryjne z zamocowanym cylndram marowym (rys. d), służące do magazynowana pomaru lośc wodoru tlenu, zestaw woltomerzy oraz amperomerzy do pomaru energ dostarczanej do elektrolzera energ uzyskwanej z ognwa palwowego (rys. e), zestaw opornków z podstawką służący do obcążana wyjśca ognwa palwowego (rys. f), zestaw rurek łączących elementy układu zacsków zamykających przepływ gazów lub wody. Rys. Zestaw pomarowy a) d) b) c) e) f)
R odpływ tlenu odpływ wodoru dopływ tlenu dopływ wodoru a) b) dopływ wody odpływ wody warstwy katalzatora warstwy gazodyfuzyjne elektrolt elektron atom wodoru atom tlenu Rys. 2 Schemat dzałana membrany do wymany protonów jako: a) elektrolzera, b) ognwa palwowego 3. WSTĘ TEORETYCZNY Membrana do wymany protonów (ang. proton exchange membrane, w skróce EM) ma postać płytk jest złożona z klku warstw. Najbardzej wewnętrzna warstwa zrobona jest elektroltu, czyl substancj, która przewodz ładunk elektryczne w postac jonów dodatnch (tzw. katonów) lub ujemnych (tzw. anonów). W omawanym przypadku chodz w szczególnośc o dodatne jony wodoru, czyl protony. Jednocześne materał ten ne pownen przewodzć elektronów, albowem dla nch przewdzana jest nna droga przepływu. Ne pownen też pozwalać na swobodny przepływ meszane sę gazów znajdujących sę po obu jego stronach. W membranach EM często elektroltem są tane w produkcj polmery, które są stosunkowo lekke można z nch kształtować cenke elastyczne warstwy (o grubośc od klkudzesęcu do klkuset µm), a dodatkowo ne grożą wycekem (w przecweństwe do elektroltów płynnych). Aby jednak elektrolt ten mógł pracować, nezbędna jest newelka lość wody, która tworzy wewnątrz polmeru kanały przewodzące protony. Wynka stąd, że membrany polmerowe ne mogą pracować w temperaturach, w których woda wrze. Często pracują już w temperaturze pokojowej, choć swoją najlepszą wydajność osągają w temperaturach neco wyższych. Na elektrolt po obu stronach nanesone są newelke warstwy katalzatora reakcj rozkładana wody na wodór tlen oraz składana jej z powrotem. Katalzatorem najczęścej jest platyna, której dość duży koszt ograncza powszechne stosowane ognw palwowych na baze EM. Warstwa katalzatora mus być oczywśce na tyle cenka, by przepuszczała jony wodoru. Jednocześne jednak pownna zawerać odpowedno dużo materału, by skuteczne katalzować reakcje chemczne. Jej grubość jest zatem kompromsem pomędzy przepuszczalnoścą a zdolnoścą do katalzowana wynos zwykle od 5 do 5 µm. Za każdą warstwą kataltyczną znajduje sę warstwa gazodyfuzyjna o grubośc od ok. 200 do ok. 300 µm, która ma za zadane równomerne doprowadzać wodór tlen do naprzecwległych stron membrany. Jednocześne warstwa taka mus zapewnć wydajny odbór wody, która skrapla sę po strone tlenu jako produkt reakcj z wodorem. Nadmerne gromadzene sę wody może zablokować dostęp gazów do elektrod ognwa, co unemożlw jego dzałana. onadto warstwa gazodyfuzyjna mus dobrze przewodzć elektrony, bowem to ona stanow zasadnczą elektrodę ognwa EM. Sama warstwa katalzatora (na której faktyczne elektrony są oddzelane lub przyłączane do jonów wodoru) jest zbyt cenka, by efektywne przewodzć prąd. Dobrym materałem na warstwy gazodyfuzyjne jest włóknna węglowa lub paper węglowy mpregnowane preparatam hydrofobowym, tj. takm, które zapobegają wsąkanu wody. Innym rozwązanem jest drobna metalowa sateczka, np. ze stal nerdzewnej. Każdy z materałów ma swoje zalety wady, nemnej w każdym przypadku dość kosztowne jest uzyskane odpowednej struktury przestrzennej. - 2 -
Warstwy gazodyfuzyjne wraz z warstwam katalzatora tworzą tzw. elektrody gazodyfuzyjne, do których doprowadza sę gazy podłącza obwód prądowy. W celu uzyskana dobrego styku wszystke wcześnej wymenone warstwy sprasowuje sę w podwyższonej temperaturze. Doprowadzane gazów do obu stron urządzena zapewnają zwykle odpowedne płytk z systemem kanalków, choć w przypadku EM używanej w ćwczenu dostęp gazów jest swobodny. Teoretyczne membrana do wymany protonów może pracować zarówno jako ognwo elektroltyczne (elektrolzer), które pod wpływem przyłożonego prądu elektrycznego rozkłada wodę na wodór tlen, jak jako ognwo palwowe, które ze zmagazynowanego wodoru tlenu produkuje wodę oraz energę elektryczną. W praktycznym zastosowanu wygodnej jednak zoptymalzować tę konstrukcję w kerunku jednego z wymenonych zastosowań, a wprowadzone zmany często unemożlwają odmenne użyce pod groźbą uszkodzena urządzena. Dzałane elektrolzera opsują w skróce następujące reakcje chemczne: 2H 2 O 4H + + 4e - + O 2 2H + + 2e - H 2 przy czym jony wodoru przechodzą przez elektrolt ognwa, zaś elektrony poruszają sę w zewnętrznym obwodze elektrycznym pod wpływem przyłożonego napęca. erwsza z reakcj zachodz na anodze, zaś druga na katodze elektrolzera. W rezultace przy anodze pozostaje tlen, zaś na katodze wydzela sę wodór, które można łatwo zebrać w oddzelnych pojemnkach. Aby opsać dzałane ognwa palwowego należy zapsać przecwne reakcje: H 2 2H + + 2e - 4H + + 4e - + O 2 2H 2 O z których perwsza odbywa sę na anodze, a druga na katodze. onowne protony przechodzą przez elektrolt, zaś elektrony poruszają sę w zewnętrznym obwodze elektrycznym, tym razem wykonując pracę użyteczną. Oczywśce żaden z tych procesów ne ma sprawnośc 00%, stąd energa elektryczna uzyskana z palwa wodorowego jest mnejsza nż energa chemczna zgromadzona w tym palwe, a ta mnejsza nż energa włożona w produkcję wodoru. Energa prądu elektrycznego dostarczonego bądź uzyskanego z urządzena wyposażonego w EM może być zmerzona przy pomocy woltomerza, amperomerza zegara. Wyraża sę ona wzorem: E U I t () gdze U to napęce zmerzone na zacskach ognwa, I to natężene prądu przez ne płynącego, zaś t to czas, w jakm ognwo jest włączone w obwód elektryczny. W przypadku, gdy napęce lub natężene zmena sę podczas pomaru, lepej jest notować wartośc w odpowednch przedzałach czasu, a przyrost energ oblczać oddzelne dla każdego przedzału na konec zsumować uzyskuje sę wtedy neco dokładnejszą (choć nadal przyblżoną) wartość energ po n-tym pomarze (En). Do oblczena chwlowego przyrostu energ E pownno sę w takm przypadku użyć wartośc średnej napęca natężena pomędzy pomaram: E E n U n + U 2 E + U I oznaczają tu odpowedno wartośc napęca natężena prądu zmerzone w chwl t, zaś t t+ t jest to czas pomędzy dwoma kolejnym pomaram. Energę zmagazynowaną w wodorze można oblczyć na podstawe znajomośc tzw. cepła spalana (ang. upper calorfc value), które w przypadku wodoru wynos Ho 286 kj/mol. Jest to wartość odmenna od tzw. wartośc opałowej (ang. lower calorfc value), która dla wodoru wynos - 3 - I + I 2 + t (2)
Hu 242 kj/mol. Różnca mędzy nm wynka z tego, że podczas zachodzena reakcj utlenana część wyzwolonej energ zostaje zużyta na odparowane wody będącej produktem tej reakcj. Jeśl para skropl sę z powrotem jeszcze w obrębe urządzena, to dodatkowo ogrzewa je, węc można tę energę odzyskać. Sytuacj tej odpowada wartość cepła spalana, natomast jeśl para wodna ulatuje z urządzena zaberając bezpowrotne część energ, wtedy mamy do czynena z energą równą wartośc opałowej. W przypadku ognwa z membraną EM, które pracuje w nskch temperaturach, para ulega skroplenu, stąd do oblczeń używamy zawsze wartośc Ho. Cepło spalana wartośc opałowa wyrażone są w kj/mol, czyl odnoszą sę do lcznośc mater w gaze, natomast w układze wykorzystanym w tym ćwczenu możlwy jest pomar objętośc gazów (zarówno wodoru, jak tlenu). Zależność pomędzy lcznoścą a objętoścą opsuje równane stanu gazu doskonałego (zwane też równanem Clapeyrona): p V n R T (3) gdze n to wspomnana lczność mater, V to objętość gazu, p jego cśnene, T jego temperatura, zaś R to unwersalna stała gazowa wynosząca 8,34 J/(mol K). rzekształcając uzupełnając ten wzór o cepło spalana można uzyskać równane na energę zmagazynowaną w wodorze: E wodoru Ho p V Ho n RT (4) zaslacz A R A V V elektrolzer wodór tlen ognwo palwowe zacsk Rys. 3 Schemat połączeń aparatury w ćwczenu - 4 -
4. RZEBIEG DOŚWIADCZENIA A) rzed uruchomenem urządzeń sprawdzć poprawność połączeń elektrycznych wedle schematu załączonego na rys. 3 oraz czy wszystke zacsk zamykające przepływ gazów w rurkach są zakręcone. W raze wątplwośc lub neprawdłowośc skonsultować sę z obsługą laboratorum. B) Upewnć sę, że oba pokrętła zaslacza są ustawone na zero (tj. skręcone maksymalne w lewo), po czym włączyć zaslacz przycskem z tyłu obudowy. Uruchomć także woltomerze ustawając je na zakres 2000 mv oraz amperomerze ustawając je na zakres 20 A. C) Otworzyć zacsk odprowadzające gaz z rurek na zewnątrz, po czym nastawć na zaslaczu elektrolzera napęce równe ok. V oraz prąd równy ok. A. UWAGA: ne przekraczać napęca 2 V natężena 2 A! Na membrane elektrolzera pownna być wdoczna produkcja wodoru tlenu. Odczekać klka mnut, aż wyprodukowane gazy wypełną rurk. Wycekający z rurek nadmar wody wycerać szmatką. o wypełnenu rurek gazam wyzerować na zaslaczu napęce natężene prądu oraz zakręcć zacsk zamykające wypływ gazu z rurek. UWAGA: w wypadku, gdy woda zalewa znaczącą część membrany ognwa palwowego, poprosć o pomoc obsługę laboratorum. D) Otworzyć zacsk na rurkach prowadzących od ognwa palwowego do dwóch kolb służących do magazynowana wodoru. E) Ze znajdujących sę w sal laboratoryjnej termometru barometru odczytać temperaturę cśnene panujące w sal. F) Na zbornku wody ponad kolbą zberającą wodór przyczepć (delkatne!) skalę objętośc tak, by zero na skal pokrywało sę z początkowym pozomem wody. G) Upewnć sę, że w obwodze ognwa palwowego ne jest wpęty żaden opornk, po czym nastawć na zaslaczu napęce Uwe równe ok. V oraz prąd Iwe równy ok. A. W odpowedno dobranych odstępach czasu (np. co mnutę) notować w tabel 2 wartośc napęca Uwe natężena Iwe prądu z zaslacza, pozomy wody w obu zbornkach nad kolbam, a także wartośc napęca Uwy na ognwe palwowym natężena Iwy prądu przez to ognwo płynącego. Wykonać w ten sposób przynajmnej 6 pomarów. odłączyć do obwodu ognwa palwowego opornk o wartośc Ω wykonać następne 6 lub węcej pomarów tak jak w poprzednm punkce. J) Wyłączyć zaslane elektrolzera skręcając oba pokrętła w lewo do oporu wykonać przynajmnej jeszcze 8 pomarów takch jak w poprzednch punktach. UWAGA: gdyby w kolbach zabrakło któregoś z gazów w rurkach pojawła sę woda, należy od razu zakręcć zacsk oddzelające ognwo palwowe od kolb! K) o zakończonym pomarze usunąć opornk z obwodu ognwa palwowego zakręcć zacsk na rurkach. L) Opracować wynk pomaru uzupełnając tabelę 2 o wartośc energ włożonej w elektrolzer Ewe, energ zgromadzonego w wodorze Ewodoru oraz energ uzyskanej na ognwe palwowym Ewy, oblczone zgodne ze wzoram, 2 4. M) Wykonać wspólny wykres wartośc tych trzech energ w zależnośc od czasu. N) Na wykonanym wykrese wytyczyć lne proste odpowadające poszczególnym punktom ćwczena. UWAGA: jeśl w obrębe danego przedzału na wykrese wdoczne są wyraźne odchyłk od ln prostej, należy ogranczyć sę do tych punktów wykresu, które wykazują lnowość. - 5 -
O) Dla każdej z wytyczonych prostych oblczyć współczynnk nachylena, które odpowadają średnej mocy danej częśc układu w wybranych przedzałach czasu. Oblczone współczynnk zanotować w tabel jako we (dla ln prostych na wykrese Ewe), wodoru (dla prostych na wykrese Ewodoru) wy (dla prostych na wykrese Ewy). ) Uzupełnć tabelę o wartośc sprawnośc różnych procesów. Dla pomarów wykonanych w punkce H ćwczena odpowedn jest wzór: η( we( który opsuje sprawność procesu elektrolzy. Dla pomarów wykonanych w punkce I odpowedn jest wzór: wy( η( który opsuje sprawność ognwa palwowego (różnca w manownku odpowada tej lośc wodoru, która została wyprodukowana w elektrolzerze, ale ne została zmagazynowana w kolbach, bo została wchłonęta przez ognwo palwowe). Dla pomarów wykonanych w punkce J ćwczena odpowedn jest wzór: η ( J) wy( J) wodoru ( J) który opsuje sprawność ognwa palwowego pracującego tylko podczas zaslana wodorem tlenem zmagazynowanym wcześnej w kolbach. - 6 -
ĆWICZENIE 2 L A B O R A T O R I U M F I Z Y K I A T O M O W E J I J Ą D R O W E J Membrana do wymany protonów jako elektrolzer ognwo palwowe Data pomaru:... Imę nazwsko:... Imę nazwsko:... Szkoła, klasa:... cepło spalana wodoru: Ho 286 kj/mol unwersalna stała gazowa: R 8,34 J/(mol K) energa zmagazynowana w wodorze o objętośc V, temperaturze T cśnenu p: Ho p V Ewodoru R T energa (praca) prądu płynącego w obwodze elektrycznym w czase t: E U I t przyblżona energa (praca) prądu w obwodze w czase od t do t+ przy napęcu zmenającym sę od U do U+ natężenu zmenającym sę od I do I+: U + U+ I + I+ E ( t+ t ) 2 2 całkowta energa (praca) prądu w obwodze w czase od początku pomaru do tn: E n n E E + K + E + K + En punkt ćwczena TABELA we [W] wodoru [W] wy [W] η H ± ± ± I ± ± ± ± J ± ± ± η ( η η ( ( J) - 7 - we( wy( wy( J) J)
TABELA 2 cśnene atmosferyczne p... ±... ha temperatura otoczena T... ±... C,n t [s] Iwe [A] Uwe [mv] V wodoru [ml] Iwy [A] Uwy [mv] Ewe [J] Ewe [J] Ewodoru [J] Ewy [J] Ewy [J] ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 2 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 3 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 4 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 5 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 6 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 7 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 8 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 9 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 0 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 2 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 3 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 4 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 5 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 6 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 7 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 8 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 9 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 20 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ±