Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyki prądowo- napięciowej elektrolizera typu PEM,

Podobne dokumenty
Laboratorium z Konwersji Energii. Ogniwo Paliwowe PEM

Akademickie Centrum Czystej Energii. Ogniwo paliwowe

Wrocław dn. 22 listopada 2005 roku. Temat lekcji: Elektroliza roztworów wodnych.

Materiały do zajęć dokształcających z chemii nieorganicznej i fizycznej. Część V

Ogniwo paliwowe typu PEM (ang. PEM-FC)

Ćwiczenie 5. Testowanie ogniwa paliwowego wodorowego zasilanego energią pochodzącą z konwersji fotowoltaicznej

INSTRUKCJA LABORATORYJNA NR 2-OP BADANIE OGNIW PALIWOWYCH

Przetwarzanie energii: kondensatory

Przetwarzanie energii: kondensatory

Ćwiczenie 5. Testowanie ogniwa paliwowego wodorowego zasilanego energią pochodzącą z konwersji fotowoltaicznej

Elektrochemia elektroliza. Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 1

Fragmenty Działu 8 z Tomu 1 PODSTAWY ELEKTROCHEMII

Elektrochemia - prawa elektrolizy Faraday a. Zadania

Schemat ogniwa:... Równanie reakcji:...

ELEKTROGRAWIMETRIA. Zalety: - nie trzeba strącać, płukać, sączyć i ważyć; - osad czystszy. Wady: mnożnik analityczny F = 1.

Laboratorium odnawialnych źródeł energii. Ćwiczenie nr 5

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

LABORATORIUM PRZEMIAN ENERGII

Sprawozdanie z laboratorium proekologicznych źródeł energii

TŻ Wykład 9-10 I 2018

ELEKTROLIZA. Oznaczenie równoważnika elektrochemicznego miedzi oraz stałej Faradaya.

PODSTAWY KOROZJI ELEKTROCHEMICZNEJ

CHP z ogniwem paliwowym Przegląd rynku

Elektroliza - rozkład wody, wydzielanie innych gazów. i pokrycia galwaniczne.

NAPIĘCIE ROZKŁADOWE. Ćwiczenie nr 37. I. Cel ćwiczenia. II. Zagadnienia wprowadzające

Ćwiczenie 2. Charakteryzacja niskotemperaturowego czujnika tlenu. (na prawach rękopisu)

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE. Ćwiczenie nr 2 Temat: Wyznaczenie współczynnika elektrochemicznego i stałej Faradaya.

Karta pracy III/1a Elektrochemia: ogniwa galwaniczne

Laboratorium ogniw paliwowych i produkcji wodoru

Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI

Obwody prądu stałego. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12)Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

ELEKTRODY i OGNIWA. Elektrody I rodzaju - elektrody odwracalne wzgl dem kationu; metal zanurzony w elektrolicie zawieraj cym jony tego metalu.

Rozdział 4 Elektrolizery

SOFC. Historia. Elektrochemia. Elektroceramika. Elektroceramika WYKONANIE. Christian Friedrich Schönbein, Philosophical Magazine,1839

Elektrochemia - szereg elektrochemiczny metali. Zadania

1. BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA OGNIWA PALIWOWEGO

Wyznaczanie parametrów równania Tafela w katodowym wydzielaniu metali na elektrodzie platynowej

Instrukcja wykonywania eksperymentów (fragmenty) do Zestawu Profesjonalnego hydro-genius

OGNIWA PALIWOWE. Zapewniają ekologiczne sposoby wytwarzania energii w dobie szybko wyczerpujących sięźródeł paliw kopalnych.

POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY. PRACOWNIA MATERIAŁOZNAWSTWA ELEKTROTECHNICZNEGO KWNiAE

OBWODY PRĄDU STAŁEGO. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

IV A. Reakcje utleniania i redukcji. Metale i niemetale

Podstawy elektrochemii

IV. Reakcje utleniania i redukcji. Metale i niemetale

JEDNOKOMOROWE OGNIWA PALIWOWE

Technologia ogniw paliwowych w IEn

Elektrolity wykazują przewodnictwo jonowe Elektrolity ciekłe substancje rozpadające się w roztworze na jony

wykład 6 elektorochemia

Czy prąd przepływający przez ciecz zmienia jej własności chemiczne?

ĆWICZENIE 1. Ogniwa paliwowe

OGNIWA GALWANICZNE I SZREG NAPIĘCIOWY METALI ELEKTROCHEMIA

Ćwiczenie 1: Wyznaczanie warunków odporności, korozji i pasywności metali

Ogniwa galwaniczne. Elektrolizery. Rafinacja. Elektroosadzanie.

Podstawowe pojęcia 1

WYKŁAD 13 Przewodnictwo roztworów elektrolitów. Konduktometria nanotechnologia II rok 1

OCHRONA PRZED KOROZJĄ

Elektroliza: polaryzacja elektrod, nadnapięcie Jakościowy oraz ilościowy opis elektrolizy. Prawa Faraday a

MODUŁ. Elektrochemia

K, Na, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Sn, Pb, H, Cu, Ag, Hg, Pt, Au

Pytania przykładowe na kolokwium zaliczeniowe z Podstaw Elektrochemii i Korozji

POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA

Elementy Elektrochemii

Badanie utleniania kwasu mrówkowego na stopach trójskładnikowych Pt-Rh-Pd

NAGRZEWANIE ELEKTRODOWE

Zestaw do doświadczeń z elektrochemii [ BAP_ doc ]

UZUPEŁNIENIE DO WYKŁADÓW

Ć W I C Z E N I E 6. Nadnapięcie wydzielania wodoru na metalach

Materiały elektrodowe

Historia elektrochemii

Laboratorium Ochrony przed Korozją. GALWANOTECHNIKA Część I Ćw. 7: POWŁOKI NIKLOWE

Budowa i zasada działania akumulatora

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 35: Elektroliza

Generator wodoru/elektrolizer

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Badanie baterii słonecznych w zależności od natężenia światła

Ć W I C Z E N I E N R E-16

OGNIWA PALIWOWE W GENERACJI ROZPROSZONEJ

POWTÓRKA Z ELEKTROCHEMII

Reakcje utleniania i redukcji

Budowę ogniwa galwanicznego opiszemy na przykładzie ogniwa glinowo- -srebrowego, które przedstawiono na Rysunku 1.

Wybrane Działy Fizyki

SZEREG NAPIĘCIOWY METALI OGNIWA GALWANICZNE

Otrzymywanie wodoru M

Wodorotlenki. n to liczba grup wodorotlenowych w cząsteczce wodorotlenku (równa wartościowości M)

Metody Badań Składu Chemicznego

Temat 7. Równowagi jonowe w roztworach słabych elektrolitów, stała dysocjacji, ph

Ćwiczenie nr 2 Ogniwa paliwowe

Wyznaczanie podstawowych parametrów ogniwa paliwowego

(1) Przewodnictwo roztworów elektrolitów

Rozwiązania zadań z konkursu XVI. 1. A: S; B: cysteina; C: metionina; O. D: FeS 2, E: H 2 S; F: SO 2 ; G: SO 3 ; H: H 2 SO 4

Chemia klasa VII Wymagania edukacyjne na poszczególne oceny Semestr II

BADANIA MODELOWE OGNIW PALIWOWYCH TYPU PEM

ul. Grabska 15A, Niepołomice NIP Niepołomice, DOTYCZY: zakupu Elektrodializera pilotowego ED/EDR

Ogniwa paliwowe - zasada działania

Wrocław dn. 18 listopada 2005 roku

Część 3. Magazynowanie energii. Akumulatory Układy ładowania

ELEKTROCHEMIA. Podstawy

Jon w otoczeniu dipoli cząsteczkowych rozpuszczalnika utrzymywanych siłami elektrycznymi solwatacja (hydratacja)

A4.05 Instrukcja wykonania ćwiczenia

SZEREG NAPIĘCIOWY METALI OGNIWA GALWANICZNE

Transkrypt:

Ćw.2 Elektroliza wody za pomocą ogniwa paliwowego typu PEM Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyki prądowo- napięciowej elektrolizera typu PEM, A także określenie wydajności tego urządzenia, jeśli chodzi o produkcję H 2. WSTĘP Elektroliza wody jest prostym procesem elektrochemicznym, który nie wymaga skomplikowanej aparatury. Jednym z głównych produktów jest bardzo czysty wodór (>99,99%). Produkowany w ten sposób wodór jest doskonałym paliwem wykorzystywanym w ogniwach paliwowych. Największą wadą procesu elektrolizy jest zapotrzebowanie na energię elektryczną. Idealnym rozwiązaniem jest wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych. Elektroliza jest praktycznym sposobem zamiany nadwyżki energii elektrycznej w energię chemiczną do wykorzystania, gdy zaistnieje na to potrzeba. Układ, w którym prowadzi się elektrolizę, nosi nazwę elektrolizera. Elektrodę połączoną z dodatnim biegunem źródła prądu nazywa się anodą, a elektrodę ujemną- katodą. Na anodzie zachodzi proces utleniania a na katodzie redukcji. Aby mógł zachodzić proces elektrolizy, napięcie zewnętrznego źródła prądu musi być wyższe od SEM ogniwa, w którym zachodzi reakcja, będąca odwróceniem reakcji w elektrolizerze. Czynnikami decydującymi o tym, jakie reakcje zajdą na elektrodach podczas przepływu prądu przez elektrolizer, są przede wszystkim skład roztworu i materiał elektrod, ale znaczący wpływ mają także napięcie elektrolizy oraz temperatura. Na dodatniej elektrodzie elektrolizera, czyli na anodzie, zachodzą procesy utleniania, natomiast na katodzie redukcji. W reakcji anodowej mogą uczestniczyć tylko drobiny mogące oddać elektrony, a w katodowej te, które mogą elektrony pobrać. O tym, które drobiny będą się utleniać lub redukować łatwiej od innych, decyduje przede wszystkim potencjał danej reakcji elektrodowej, czyli jej położenie w szeregu napięciowym. Proces katodowy będzie zachodzić tym łatwiej, im wyższy jest jego potencjał, a proces anodowy - odwrotnie. Na katodzie w pierwszej kolejności rozładowują się kationy metali ciężkich, czyli metali położonych w szeregu napięciowym na prawo od glinu. Jeśli roztwór elektrolitu nie zawiera jonów metali ciężkich, na katodzie wydziela się wodór pochodzący z rozładowania kationów H + lub z redukcji cząsteczek wody. W przypadku zakwaszonego roztworu soli metalu ciężkiego wydzielanie metalu i wodoru może zachodzić równocześnie. Na anodzie w pierwszej kolejności rozładowują się aniony kwasów beztlenowych. Jeśli są one nieobecne w roztworze, na anodzie wydziela się tlen pochodzący z rozładowania jonów OH- lub utleniania cząsteczek wody. Do określenia jakości pracy elektrolizera wygodnie jest wprowadzić sprawność elektrolityczną oraz sprawność energetyczną [3] zdefiniowane jako:

gdzie elektrolizy, oznacza masę wodoru faktycznie wytworzoną w przeprowadzonym procesie oznacza masę wodoru jaka powinna wytworzyć się wg praw Faradaya, oznacza energię wytworzonego w procesie elektrolizy wodoru, oznacza energię wytworzonego w procesie elektrolizy tlenu, określa ilość dostarczonej do procesu elektrolizy energii elektrycznej. Typy elektrolizerów Elektrolizery, w zależności od stanu skupienia elektrolitu, można podzielić na alkaliczne i wykorzystujące polimerową membranę wymiany protonów (PEM). Elektrolizer alkaliczny pracuje w układzie z ciekłym elektrolitem, natomiast elektroliter PEM wykorzystuje elektrolit polimerowy. Na elektrodzie posiadającej ładunek ujemny protony są usuwane z elektrolitu, a elektrony są dostarczane przez zewnętrzne źródło zasilania. Najczęściej elektrolit w elektrolizerze alkalicznym stanowi roztwór 25 30% mas. KOH w wodzie. Wykorzystuje się także roztwory NaOH lub NaCl. Gęstości prądu elektrolizerów zasadowych są najczęściej w zakresie 100-300 ma/cm 2. [4] Reakcje w elektrolizerze zasadowym przebiegają następująco (A- anoda, K-katoda): tj. odwrotnie niż w ogniwie alkalicznym (ang. AFC). Elektrolit w elektrolizerze typu PEM pozwala na selektywny transport protonów H + z anody poprzez membranę do katody, co zapobiega mieszaniu się wodoru i tlenu. Najczęściej używana jest membrana Nafion, francuskiej firmy DuPont. Elektrody pokryte katalizatorem (Pt) umieszczone są po obu stronach membrany polimerowej w celu efektywnego rozdziału wody na wodór i tlen. Większość producentów elektrolizerów PEM wymaga by stosować wodę dejonizowaną o rezystywności nie mniejszej niż 1MΩ cm [4]. Ponadto zaletą elektrolizerów PEM jest możliwość uzyskania wysokich gęstości prądu (>1600 ma/cm 2 ) o co najmniej rząd wielkości większych niż w elektrolizerach alkalicznych. Kolejną zaletą jest możliwość uniknięcia produkcji tlenu pod wysokim ciśnieniem i bezpieczny elektrolit, który nie stwarza zagrożenia wyciekiem i zniszczeniem środowiska.

Wadą jest obniżanie się sprawności wraz ze wzrostem gęstości prądu przyłożonego do ogniwa lub stosu. [4] Reakcje w elektrolizerze z membraną protonowymienną (typu PEM) przebiegają następująco (Aanoda, K-katoda): tj. odwrotnie niż w ogniwie z membraną protonowymienną (ang. PEM). Elektroliza jest praktycznym sposobem zamiany nadwyżki energii elektrycznej w energię chemiczną do wykorzystania, gdy zaistnieje na to potrzeba. Jednym ze sposobów jest wykorzystanie wysokotemperaturowej elektrolizy pary wodnej (powyżej 100ºC). Technologia elektrolizerów typu PEM i HTPEM jest często przedstawiana w literaturze jako bardzo obiecująca alternatywa do bardziej konwencjonalnej technologii elektrolizerów alkaicznych. Technologia ta posiada szereg zalet względem starszych technologii takich jak: większa sprawność elektrolizerów (56-73%) oraz możliwość uzyskania ultraczystego wodoru (klasa czystości >=5.0 czyli >=99,999%), a także bardziej kompaktowa budowa. Ta metoda produkcji wodoru jest przewidziana dla przyszłych pokoleń, gdy wodór stanowiący nośnik energii będzie włączony w idealny cykl energetyczny. W cyklu tym, energia elektryczna uzyskiwana z odnawialnych źródeł energii jest wykorzystywana do rozszczepiania wody na czysty wodór i tlen. STANOWISKO BADAWCZE Przebieg ćwiczenia Na początku należy odpowiednio przygotować stanowisko, którego podstawowy element stanowi mini-pojazd zawierający 2 zbiorniczki (o objętości 10 i 20 cm 3 ). Zbiorniczki napełnia się wodą destylowaną. Po napełnieniu odpowiednich elementów zestawu, należy zwilżyć ogniwo wodą destylowaną przy użyciu strzykawki. (rys.2) Rys.2. Schemat mini- pojazdu

Rys.3. Elektrody w ogniwie PEM Po przygotowaniu zestawu i podłączeniu mini-pojazdu do zasilacza, należy : 1. Wykonać charakterystykę prądowo- napięciową i na podstawie wykresu zależności I= f(u) wyznaczyć Uz (napięcie rozkładowe). 2. Wyprodukować 10ml H 2 przy U=2V. Obliczyć wydajność prądową i energetyczną procesu produkcji wodoru w elektrolizerze PEM. Skorzystać należy ze wzorów znajdujących się w konspekcie do tego ćwiczenia (www.oxyfuel.eu).

Rys.4. Stanowisko badawcze- mini-pojazd, zasilacz, mierniki napięcia i natężenia. LITERATURA 1. Chemia fizyczna. Andrzej Staronka, Wydawnictwa AGH, Kraków 1994 2. Elektrochemia II- Elektrodyka A. Kisza Wyd. NT, Warszawa 2001 3. Technologie energetyczne, rozdz. 14 Ogniwa paliwowe (str. 482-519). Tadeusz Chmielniak, Wydawnictwo WNT, 2013 Warszawa 4. Renewable Hydrogen Production, J. Turner i in., Int. J. Energy Res., 2008; Vol. 32, str. 379-407