Ćwiczenie nr 2 Ogniwa paliwowe

AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Chemii Nieorganicznej Laboratorium z Elektrochemii Ciała Stałego Ćwiczenie nr 2 Ogniwa paliwowe

Spis treści 1. Cel ćwiczenia... 3 2. Ogniwa paliwowe... 3 2.1. Historia rozwoju technologii... 3 2.2. Zasada działania... 3 2.3. Podstawy termodynamiczne... 4 3. Rodzaje ogniw paliwowych... 6 3.1. SOFC stałotlenkowe ogniwa paliwowe... 7 3.2. PEMFC ogniwa paliwowe z membraną polimerową... 9 4. Opisy wykonania ćwiczeń... 11 4.1. Elektroliza wody... 11 4.2. Wyznaczanie liczby Avogadro... 13 4.3. I prawo Faraday a... 14 4.4. Krzywe charakterystyczne ogniwa paliwowego... 15 4.5. Ogniwo zasilane metanolem... 17 Katedra Chemii Nieorganicznej 2

1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z rodzajami ogniw paliwowych oraz zasadą ich działania. 2. Ogniwa paliwowe Ogniwa paliwowe to elektrochemiczne układy prądotwórcze, czyli ogniwa galwaniczne, które w sposób ciągły zasilane są substratami reakcji elektrodowych, przy równoczesnym ciągłym odprowadzaniu produktów tych reakcji. 2.1. Historia rozwoju technologii Pierwsze ogniwo paliwowe zostało skonstruowane w 1839 roku przez William Grove a. Wyszedł on z założenia, że elektroliza wody, w której otrzymuje się tlen i wodór, jest procesem odwracalnym, a ponieważ wymaga on dostarczenia dużej ilości energii elektrycznej, to proces odwrotny mógłby ją zapewnić. Ok. 1850 roku w Wielkiej Brytanii zademonstrowana została łódź elektryczna napędzana silnikiem zasilanym wyłącznie ogniwami paliwowymi. W 1950 roku NASA rozpoczęła pracę nad zastosowaniem ogniw paliwowych w ramach kilkuset projektów badawczych, a w 1960 roku wystartował wahadłowiec Apollo z ogniwem zasadowym. Dziesięć lat później, wahadłowiec Columbia korzystał z pracy takiego samego ogniwa. Jednak największą barierą w dalszym rozwoju technologii ogniw paliwowych były bardzo wysokie koszty produkcji. Obecnie technologia ogniw paliwowych jest intensywnie rozwijana w krajach UE, Japonii i USA. Wiele ośrodków naukowych zajmuje się badaniami, które mają na celu wydłużenie czasu pracy ogniwa, redukcję masy oprzyrządowania, czy zmniejszanie kosztów samej produkcji. Przewiduje się iż powstawanie infrastruktury wodorowej i wdrażanie technologii ogniw paliwowych w urządzeniach codziennego użytku rozpocznie się dopiero po roku 2020. 2.2. Zasada działania Działanie ogniwa paliwowego opiera się na odwróconym procesie elektrolizy. Zachodzi wówczas synteza wody z gazów zawierających wodór i tlen, przy jednoczesnym wytwarzaniu energii elektrycznej. Paliwo transportowane jest do obszaru anody, natomiast tlen do katody. Elektrolit pełni rolę rozdzielacza komponentów gazowych i wymieniacza jonów. Niemal we wszystkich rodzajach ogniw paliwowych wodór rozbijany jest pod wpływem działania katalizatora na protony, które dyfundują przez elektrolit, oraz elektrony płynące przez obwód zewnętrzny. Protony i elektrony łączą się z cząsteczkami tlenu tworząc cząsteczki wody. Schemat przykładowego ogniwa paliwowego oraz zachodzących w nim procesów elektrochemicznych przedstawiono poniżej: Ni, ZrO 2, H 2, H 2 O ZrO 2, O 2- O 2-, La, SrMnO 3 2H 2 +4H 2 O=4H 3 O + +4e - O 2g +4H 3 O + +4e - =6H 2 O g ------------------------------------------------------------------------ 2H 2g +O 2g =2 g Zalet ogniw paliwowych jest wiele. Spośród nich można wyróżnić: możliwość pracy ciągłej, możliwość stosowania różnych rodzajów paliw, m.in.: wodór, metan, metanol, biogaz, znikoma emisyjność zanieczyszczeń, niski poziom hałasu, Katedra Chemii Nieorganicznej 3

kogeneracja, czyli jednoczesne wytwarzanie energii elektrycznej i użytkowej energii cieplnej, które możliwe jest ogniwach typu SOFC i MCFC, możliwość łączenia pojedynczych modułów w stosy umożliwiające zwiększenie. Do wad ogniw paliwowych należą: niskie napięcie i niewielkie moce uzyskiwane z pojedynczego modułu, produkcja prądu stałego (wada emisyjna), wysoki koszt materiałów stosowanych jako katalizatory. 2.3. Podstawy termodynamiczne Na wartość końcową współczynnika sprawności ogniwa paliwowego składa się liczba poszczególnych etapów procesu konwersji. W przypadku przemiany izotermiczno-izobarycznej, maksymalna praca nieobjętościowa L no czyli praca elektryczna dla ogniw paliwowych L el, jest równa zmianie entalpii swobodnej reakcji ΔG, co wyraża się wzorem: = = = (1) gdzie: n liczba moli elektronów biorących udział w procesie, F stała Faradaya, E r - napięcie równowagowe (odwracalne) ogniwa. Sumaryczna reakcja zachodząca w ogniwie wodorowo-tlenowym (spalanie wodoru w tlenie) zapisana może być jako: + = (2) W warunkach standardowych (p=1 atm i T=25 C) wyliczona wartość napięcia odwracalnego dla wody ciekłej wynosi E 0 298=1,23 [V] a dla pary wodnej E 0 298=1,18 [V]. Rzeczywiste napięcie odwracalne ogniwa paliwowego E r wodorowo-tlenowego określone jest równaniem Nernsta: = + + #! " $ (3) gdzie: p H2, p O2, p H2O ciśnienia cząstkowe (parcjalne) wodoru, tlenu i pary wodnej, R stała gazowa, E o potencjał odwracalny, którego zależność od temperatury zmienia się w zależności od rodzaju ogniwa paliwowego. Napięcie obciążonego ogniwa różni się od napięcia odwracalnego, co wynika z ograniczeń kinetycznych związanych z: a) rozpuszczaniem się w elektrolicie gazów zasilających ogniwo, b) dyfuzją cząstek aktywnych do i od elektrody, c) sorpcją cząsteczek elektroaktywnych na elektrodzie, d) przeniesieniem ładunku w czasie procesu elektrodowego, e) przenoszeniem ładunku w elektrolicie i w obwodzie zewnętrznym między elektrodami ogniwa. Skończona szybkość wymienionych procesów wpływa na rzeczywistą moc ogniwa paliwowego, która jest zawsze niższa niż hipotetycznego ogniwa doskonałego (rysunek 1). Straty te nazywane są: nadnapięciem, polaryzacją, nieodwracalnością i spadkami napięcia a podzielić je można na trzy kategorie: a) polaryzacja aktywacyjna ƞ akt prąd wymiany uzależniony jest od właściwości katalitycznych materiału elektrody, powierzchni elektrody oraz od stężenia reagentów; ma decydujący udział w zakresie niskich natężeń prądów obciążenia im mniejsze natężenie prądu wymiany i 0, tym polaryzacja aktywacyjna jest mniejsza; Katedra Chemii Nieorganicznej 4

b) polaryzacja stężeniowa ƞ s ma decydujący udział w zakresie działania wysokich natężeń prądów ogniwa; w przypadku natężeń o wielkościach zbliżonych do natężenia granicznego przebieg polaryzacji w funkcji natężenia prądu staje się niemalże pionowy; znaczna szybkość przeniesienia ładunku na elektrodzie i duże obciążenie ogniwa (wysokie natężenie prądu) wpływają na szybsze zużycie substancji elektroaktywnych; c) polaryzacja omowa ƞ om jest następstwem oporności elektrolitu oraz materiału elektrod, spełnia prawo Ohma. Uwzględniając wszystkie te straty, wyliczyć można napięcie obciążonego ogniwa korzystając ze wzoru: = % &'(,& % *,& % + % &'(,' % *,' (4) gdzie: a i k wskaźniki oznaczające polaryzację anody i katody ogniwa. W przypadku ogniw paliwowych straty napięciowe mogą dotyczyć również innych zjawisk np. przenikania paliwa w obszar katodowy, czy też pojawiania się na jednej z elektrod produktów reakcji (tzw. starty nernstowskie). Rysunek 1. Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa galwanicznego. Sprawność konwersji pojedynczego ogniwa paliwowego (sprawność elektrochemiczna Ɛ ech) nie uwzględnia energii zużytej na zasilanie ogniwa oraz zmianę parametrów energii elektrycznej, uzyskanej z pracującego ogniwa, na parametry użyteczne. Zatem na sprawność całkowitą składają się: a) sprawność termiczna ogniwa Ɛ ter maksymalna sprawność uzyskana z doskonałego ogniwa paliwowego. Ze względu na różne rodzaje ogniw i różne temperatury ich pracy, sprawność termiczna wynosi od 0,73 (dla wysokotemperaturowego ogniwa paliwowego) do 0,83 (dla niskotemperaturowego ogniwa paliwowego)., ( = -. (5) -/ gdzie: ΔH entalpia. b) sprawność napięciowa Ɛ E ściśle związana ze zjawiskami polaryzacji napięciowej obciążonego ogniwa; w optymalnych warunkach pracy mieści się w zakresie 0,6-0,8., 0 = 0 0 1 (6) Katedra Chemii Nieorganicznej 5

c) sprawność faradajowska Ɛ F informuje o tym, jaki procent energii paliwa jest bezpośrednio użyty na wytworzenie energii elektrycznej w procesie elektroutleniania, sprawność ta jest przeważnie bardzo wysoka, najczęściej przekracza ona 0,95., = 2 2 3 (7) gdzie: i rzeczywisty prąd czerpany z ogniwa, i F prąd, który byłby czerpany z ogniwa w sytuacji, gdy nie byłoby żadnych innych procesów pobocznych, zachodzących w trakcie pracy ogniwa a paliwo w całości służyłoby wytworzeniu prądu. d) stopień utylizacji paliwa U określa stosunek zużytego paliwa (H 2) d-(h 2) w do całkowitej ilości paliwa (H 2) d doprowadzonego do przestrzeni anodowej, stopień utylizacji w ogniwach paliwowych mieści się w zakresie 0,65-1,00. 4= 5 6 75 8 5 6 (8) Zatem zakres sprawności konwersji pojedynczego ogniwa można zapisać jako iloczyn poszczególnych sprawności składowych:, 9: =, (, 0, 4 (9) 3. Rodzaje ogniw paliwowych Rodzaj elektrolitu zastosowanego w ogniwie paliwowym definiuje jego typ i temperaturę pracy. Rolę elektrolitu mogą pełnić: stopiona sól, stężony roztwór wodorotlenku potasu, membrana polimerowa, elektrolit stały i inne (tabela 1, rysunek 2). Tabela 1. Rodzaje ogniw paliwowych i ich cechy charakterystyczne. rodzaj ogniwa elektrolit paliwo PEMFC - ogniwo paliwowe z membraną polimerową AFC - alkaliczne ogniwa paliwowe DMFC - ogniwo paliwowe zasilane metanolem PAFC - ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym MCFC - ogniwo paliwowe ze stopionym węglanem SOFC - stałotlenkowe ogniwo paliwowe polimer w stanie stałym temperatura pracy [ o C] H 2, N 2H 4, CH 4 paliwo i utleniacz 60-100 pozbawione CO 2 roztwór KOH H 2, N 2H 4, CH 4 90-100 polimer w stanie stałym stężony H 3PO 4 stopiony węglan (Li, K, Na) ZrO 2:Y 2O 3 zastosowanie astronautyka, technika wojskowa astronautyka, technika wojskowa metanol 50-120 przenośne H 2, CH 3OH, gaz ziemny, nafta, biogaz CH 3OH, ziemny, biogaz H 2, CH 4, gaz ziemny, biogaz 150-200 obiekty publiczne 600-1000 energetyka 600-1000 energetyka, kogeneracja Elektrody zbudowane są z materiałów charakteryzujących się właściwościami elektrolitycznymi względem odpowiednich reakcji połówkowych oraz takimi parametrami jak: odpowiednie rozwinięcie powierzchni, właściwości absorpcyjne, trwałość chemiczna w warunkach pracy, stosunkowo niska cena. Ogniwa paliowe dzięki pominięciu cyklu Carnota charakteryzują się wysoką sprawnością 70-90%. Katedra Chemii Nieorganicznej 6

Rysunek 2. Mechanizm działania ogniw paliwowych różnego typu (http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/fuelcells/printall.php) O wyborze odpowiedniego rodzaju ogniwa paliwowego do konkretnego zastosowania decyduje jego moc i temperatura pracy. Na rysunku 3 przedstawione są wybrane zastosowania ogniw paliwowych z uwzględnieniem ich zapotrzebowania na moc. Do najbardziej obiecujących należą ogniwa ze stałym tlenkiem SOFC ze względu na możliwość osiągnięcia wysokich mocy, oraz ogniwa z membraną polimerową PEMFC ze względu na mnogość zastosowań. Dlatego też tylko te dwa typy ogniw zostaną szerzej omówione. Rysunek 3. Zastosowania poszczególnych rodzajów ogniw paliwowych. 3.1. SOFC stałotlenkowe ogniwa paliwowe Ten typ ogniwa wymaga wysokiej temperatury pracy ok. 600-1000 C (schemat na rysunku 4). Dzięki temu, w ogniwie mogą być wykorzystane tańsze materiały (np. katalizatory niklowe zamiast Katedra Chemii Nieorganicznej 7

platynowych), a konstrukcja ogniwa nie wymaga takiej precyzji, jak w przypadku innych typów ogniw. Ciepło uzyskiwane za pomocą tego ogniwa może być wykorzystane do ogrzewania bądź do współgenerowania energii elektrycznej (kogeneracja), np. przy użyciu wysokosprawnych mikroturbin. Prowadzić to może do wykorzystania energii paliwa aż w 75%. SOFC to ogniwa nie zawierające komponentów ciekłych. Zyskują dzięki temu większą integralność konstrukcji, a także większe możliwości minimalizacji grubości pojedynczego ogniwa, co ma kluczowe znaczenie dla uzyskiwanej gęstości mocy systemu. Problemem w technologii SOFC jest dobór materiałów o jednakowych współczynnikach rozszerzalności cieplnej. Brak takiej kompatybilności prowadzi do nieuchronnego rozszczelnienia ogniwa w trakcie cyklicznego nagrzewania (praca) i chłodzenia (postój). Ogniwa te narażone są również na zjawiska interdyfuzji pierwiastków w wysokiej temperaturze. reakcje na elektrodach: katoda 1 2 +2< 7 += =? anoda +? = += +2< 7 reakcja sumaryczna: + 1 2 = Rysunek 4. Schemat działania stałotlenkowego ogniwa paliwowego wraz z zachodzącymi w nim reakcjami. Jako elektrolit stosowany jest zestalony, nieporowaty tlenek metalu, zazwyczaj ZrO 2 stabilizowany Y 2O 3. Jego odpowiednia budowa zapewnia przewodnictwo jonowe tlenu rzędu 10-2 [S cm -1 ] (nośnikami jonów tlenu są wakancje tlenowe) w szerokim zakresie ciśnień tlenu, 1-10 -20 atm, gdyż styka się on zarówno z atmosferą silnie utleniającą (od strony katody) jak i silnie redukującą (od strony anody gdzie podawane jest paliwo). Anoda, zazwyczaj oparta jest na ceramice niklowej lub kobaltowej (Co-ZrO 2, Ni/YSZ, Ni/CeO 2), jest przewodnikiem jonowo-elektronowym. Przewodnictwo jonowe związane jest z wakancjami tlenowymi YSZ lub w CeO 2, a przewodnictwo elektronowe wynika z przewodzącej ścieżki perkolacyjnej. Rolę katody mogą pełnić tlenki La 1-xSr xmo 3-d, M=Mn, Fe, Co, Ni, o strukturze perowskitu. Są to przewodniki jonowo-elektronowe, których przewodnictwo jonowe wynika z niestechiometrii w podsieci tlenu (wakancje tlenowe) a przewodnictwo elektronowe związane jest z mieszaną walencyjnością jonów M 3+ /M 4+ i zależy od poziomu niestechiometrii tlenowej oraz ilości i rodzaju domieszek. Tak jak w przypadku pozostałych rodzajów ogniw, wszystkie komponenty ogniwa powinny wykazywać kompatybilność chemiczną i termiczną (tabela 2). Katedra Chemii Nieorganicznej 8

Tabela 2. Właściwości i funkcje elementów składowych ogniwa paliwowego. właściwości elektryczne właściwości termomechaniczne katoda np. LaMO 3-y elektrolit np. YSZ, GDC anoda np. Ni-YSZ, Ni- GDC przewodnictwo jonowo-elektronowe aktywność katalityczna na granicy faz przewodnictwo jonowe aktywność katalityczna na granicy faz przewodnictwo jonowo-elektronowe porowatość dopasowanie współczynników rozszerzalności termicznej adhezja gazoszczelność stabilność mechaniczna adhezja porowatość dopasowanie współczynników rozszerzalności termicznej Ogniwa SOFC są jedną z najbardziej obiecujących grup ogniw, ze względu na możliwość łączenia pojedynczych ogniw w stosy i nadawanie im różnorodnych kształtów. Daje to największą możliwą do uzyskania moc w porównaniu z innymi typami ogniw. Dodatkowo są one łatwe w budowie, tanie w eksploatacji i odporne na zniszczenia powstałe w czasie pracy. Ogniwa paliwowe mogą być użyte jako przydomowe generatory prądu, systemy UPS podtrzymujące napięcie w komputerach, jako awaryjne generatory prądu w szpitalach, jak również zasilać sygnalizację świetlną na skrzyżowaniach oraz stanowić niezależne elektrownie. 3.2. PEMFC ogniwa paliwowe z membraną polimerową W tym ogniwach typu PEMFC elektrolitem jest membrana polimerowa, która transportuje protony z anody na katodę (schemat na rysunku 5). Bardzo dobrym przewodnikiem jest Nafion polimer, który ma za zadanie działać jako sito protonów. Transport protonów przez membranę uwarunkowany jest natomiast jej wilgotnością. Jako elektrody stosuje się metale o niskim stopniu korozji np.: Al, Cu, C czy stal nierdzewna, które od zewnętrznej strony pokrywane są platyną pracującą jako katalizator. Same elektrody to blacha powyginana w harmonijkę albo z wyrytymi kanałami, lub po prostu siatka o drobnych oczkach. Elektrody, stykające się poprzez cienką warstwę katalizatora z membraną polimerową, spełniają kilka funkcji: odprowadzają prąd elektryczny przepływający przez ogniwo do obwodu zewnętrznego, służą do równomiernej dystrybucji gazów doprowadzanych do całej czynnej powierzchni membrany, za ich pośrednictwem następuje odprowadzenie wody wytwarzanej na styku katody z membraną na zewnątrz ogniwa. Aby spełnić te funkcje, mają przeważnie strukturę kilkuwarstwową. Najważniejsze cechy ogniw paliwowych typu PEMFC to odporność chemiczna, wytrzymałość mechaniczna, łatwość wytwarzania cienkich warstw, możliwość absorpcji dużych ilości wody, łatwy transport jonów H +, odwodnienie i spadek przewodnictwa protonowego przy wzroście temperatury pracy powyżej 100 C. Do zalet ogniwa PEMF należą duża sprawność w produkcji energii elektrycznej do 65%, mała ilość wydzielanego ciepła, dobra nadążność ogniwa w systemach poddawanych zmiennym obciążeniom, krótki czas rozruchu, wysoka gęstość mocy, prostota budowy oraz niska temperatura pracy. Jednakże konieczność zastosowanie metali szlachetnych, takich jak platyna Pt czy ruten Ru, w elektrodach oraz konieczność zasilania ogniwa wodorem o wysokiej czystości stanowią poważne wady. Ogniwa PEMFC znajdują zastosowanie zarówno w urządzeniach przenośnych, niewielkich, jak i w większych generatorach mocy. Dobrze sprawdzają się jako konwertory energii w układach wszelkiego rodzaju, od elektronicznych urządzeń przenośnych, poprzez środki lokomocji, aż do Katedra Chemii Nieorganicznej 9

elektrowni. Stosuje się je do zasilania samochodów, telefonów komórkowych oraz przenośnych wideokamer i komputerów. utlenianie wodoru na anodzie: =2 @ +2< 7 redukcja tlenu na katodzie: 1 2 +2 @ +2< 7 = reakcja sumaryczna: + 1 2 = Rysunek 5. Schemat budowy ogniwa paliwowego typu PEMFC wraz z zachodzącymi w nim reakcjami. Katedra Chemii Nieorganicznej 10

4. Opisy wykonania ćwiczeń UWAGA: Wszystkie obliczenia należy zawrzeć w sprawozdaniu! 4.1. Elektroliza wody Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasadą działania ogniwa paliwowego i elektrolizera. Do wykonania ćwiczenia potrzebne są: moduł solarny, elektrolizer, ogniwo paliwowe, moduł pomiarowy, kable, 2 długie rurki, 2 krótkie rurki, 2 korki (bez dziurki), 2 tuby, woda destylowana, źródło światła. Schemat 1 Opis wykonania ćwiczenia 1. Złożyć układ zgodnie ze schematem 1a, sprawdzić podłączenie kabli, włączyć moduł pomiarowy i ustawić pokrętło w pozycji OPEN. 2. Cylindry elektrolizera zamknąć silikonowymi korkami, uzupełnić je wodą destylowaną do poziomu 0 ml, założyć tuby. 3. Źródło światła ustawić w odległości ok. 5 cm od modułu solarnego. Światło powinno padać na moduł solarny prostopadle do jego powierzchni. Włączyć źródło światła i skierować je na moduł solarny. 4. Odczekać 5 min, aż układ oczyści się a gazy znajdujące się w elektrolizerze zostaną uwolnione. 5. Ustawić pokrętło na module pomiarowy na 3 Ω i odczekać kolejne 3 min. 6. Po wyznaczonym czasie ponownie przełączyć moduł pomiarowy na OPEN i odczekać 3 min. 7. Wyłączyć światło, zatkać korkami rurki odpływu przy ogniwie (1b) i włączyć światło. Poczekać aż cylinder wodoru wypełni się gazem do poziomu 5 ml, odciąć źródło światła i odczytać objętość tlenu zgromadzonego w tym samym czasie. 8. Ustawić pokrętło na module pomiarowym na 10 Ω przepływający prąd oraz ogniwo wykorzystują zgromadzony wodór. 9. Gdy poziom wodoru w cylindrze osiągnie ponownie wartość 0 ml, odłączyć ogniwo paliwowe i przestawić pokrętło na module pomiarowy na OPEN oraz odczytać objętość zgromadzonego tlenu. 10. Wyniki pomiarów zebrać w poniższych tabelach. Katedra Chemii Nieorganicznej 11

Rozkład wody: Zużycie wodoru: objętość poziom 0 / startowy poziom 1 / końcowy V H2 [cm 3 ] V O2 [cm 3 ] objętość poziom 1 / startowy poziom 0 / końcowy V H2 [cm 3 ] V O2 [cm 3 ] Zagadnienia do opracowania w sprawozdaniu 1. Wyjaśnić cel eksperymentu, pojęcia utlenianie i redukcja. 2. Podać, wraz z równaniami reakcji, jakie procesy zachodzą na poszczególnych elektrodach. 3. Wyjaśnić, jakie procesy obserwowane są podczas eksperymentu. 4. Wyjaśnić, z czego biorą się różnice w objętości w procesie elektrolizy (reakcja w dwie strony), jeżeli takie występują. 5. Obliczyć jaka objętość wodoru powstanie w procesie elektrolizy 5 cm 3 wody oraz jaki procent w 5 cm 3 stanowi ubytek wody. Katedra Chemii Nieorganicznej 12

4.2. Wyznaczanie liczby Avogadro Celem ćwiczenia jest eksperymentalne wyznaczenie liczby Avogadro metodami elektrolitycznymi. Do wykonania ćwiczenia potrzebne są: moduł solarny, moduł pomiarowy, elektrolizer, kable, krótka rurka, korek, 2 tuby, woda destylowana, stoper, źródło światła. Schemat 2 Opis wykonania ćwiczenia 1. Złożyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem 2a, sprawdzić podłączenie kabli. 2. Cylindry elektrolizera zamknąć silikonowymi korkami, uzupełnić je wodą destylowaną do poziomu 0 ml, założyć tuby. 3. Źródło światła ustawić w odległości ok. 5 cm od modułu solarnego. 4. Ustawić pokrętło na module pomiarowym na SHORT CIRCUIT i włączyć moduł pomiarowy. 5. Zatkać krótką rurkę korkiem (2b). Włączyć źródło światła i skierować je na moduł solarny. Światło powinno padać na moduł solarny prostopadle do jego powierzchni. 6. Zmierzyć czas potrzebny do zgromadzenia 4 ml wodoru oraz wartość natężenia prądu. Jeśli wartości zmieniają się w trakcie produkcji wodoru, wziąć wartość średnią. 7. Uwolnić nagromadzony wodór wyciągając korek z rurki. 8. Pomiary wykonać 3 razy (kroki 4-7). 9. Wyniki zebrać w tabeli. pomiar 1 pomiar 2 pomiar 3 natężenie prądu, I [A] czas, t [s] ładunek, q [C] Zagadnienia do opracowania w sprawozdaniu 1. Wyznaczyć średni ładunek potrzebny w warunkach normalnych do uwolnienia: a) 10 cm 3 H 2, b) 24 cm 3. 2. Obliczyć, ile ładunku jest potrzebne do uwolnienia 1 mola wodoru. 3. Wyznaczyć liczbę elektronów w 1 molu elektronów, a tym samym stałą Avogadro. Skomentować otrzymany wynik. Niezbędne dane: ładunek = prąd czas; ładunek elektronu e = 1,60 10-19 [C] Katedra Chemii Nieorganicznej 13

4.3. I prawo Faraday a Celem ćwiczenia jest praktyczne wykorzystanie pierwszego prawa Faraday a oraz określenie wydajności elektrolizera. Do wykonania ćwiczenia potrzebne są: moduł solarny, elektrolizer, moduł pomiarowy, kable, krótka rurka, korek, tuba, woda destylowana, stoper, źródło światła. Schemat 3 Opis wykonania ćwiczenia 1. Złożyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem 3a, sprawdzić podłączenie kabli 2. Cylindry elektrolizera zamknąć silikonowymi korkami, uzupełnić je wodą destylowaną do poziomu 0 ml, założyć tuby. 3. Źródło światła ustawić w odległości ok. 5 cm od modułu solarnego. Światło powinno padać na moduł solarny prostopadle do jego powierzchni. 4. Ustawić pokrętło na module pomiarowym na SHORT CIRCUIT, włączyć moduł pomiarowy. 5. Zatkać wylot wodoru (3b), włączyć źródło światła i równocześnie włączyć stoper. 6. W czasie reakcji gromadzony będzie wodór. W odcinkach 120 sekundowych należy zmierzyć napięcie i natężenie prądu oraz poziom wodoru. 7. Wyniki zebrać w tabeli. pomiar 1 pomiar 2 pomiar 3 czas, t [s] natężenie, I ma] napięcie, U [V] objętość, V H2 cm 3 ] Vol średnia= Zagadnienia do opracowania w sprawozdaniu W oparciu o wyznaczoną doświadczalnie objętość wodoru wyznaczyć wydajność Faraday a oraz obliczyć wydajność energetyczną elektrolizera. Skomentować otrzymane wyniki. Niezbędne dane: ΔH c(h 2) = -286 kj/mol Katedra Chemii Nieorganicznej 14

4.4. Krzywe charakterystyczne ogniwa paliwowego Celem ćwiczenia jest wyznaczenie krzywych charakteryzujących pracę ogniwa paliwowego. Do wykonania ćwiczenia potrzebne są: moduł solarny, elektrolizer, ogniwo paliwowe, moduł pomiarowy, kable, 2 krótkie rurki, 2 długie rurki, 2 korki, tuby, woda destylowana, stoper, źródło światła. Schemat 4a Schemat 4b Opis wykonania ćwiczenia 1. Złożyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem 4a, sprawdzić podłączenie kabli. 2. Cylindry elektrolizera zamknąć silikonowymi korkami, uzupełnić je wodą destylowaną do poziomu 0 ml, założyć tuby. 3. Źródło światła ustawić w odległości ok. 5 cm od modułu solarnego. Światło powinno padać na moduł solarny prostopadle do jego powierzchni. 4. Ustawić pokrętło na module pomiarowym na OPEN i włączyć moduł pomiarowy 5. Włączyć źródło światła i skierować je na moduł solarny, poczekać 5 min na odgazowanie układu. Katedra Chemii Nieorganicznej 15

6. Ustawić pokrętło na module pomiarowym na 3 Ω i odczekać 3 min, po czym z powrotem ustawić pokrętło na OPEN na 3 min. 7. Zamknąć korkami odpływy gazowe (4b). 8. Odłączyć moduł solarny gdy zgromadzony wodór osiągnie objętość 8 ml. 9. Podłączyć woltomierz zgodnie ze schematem 4b. 10. Zapisywać wyniki pomiaru zmieniając obciążenie na module pomiarowym poczynając od pozycji OPEN w prawo, dla każdej rezystancji odczekać 30 sekund. 11. Po skończeniu pomiarów, powrócić na pozycję OPEN i odkorkować odpływy gazów. rezystancja, R [Ω] napięcie, U [V] natężenie, I [ma] OPEN 200 100 50 10 3 1 Zagadnienia do opracowania w sprawozdaniu Narysować krzywe zależności napięcie-natężenie i moc-natężenie, oraz je scharakteryzować. Katedra Chemii Nieorganicznej 16

4.5. Wykorzystanie I prawa Faraday a w ogniwie paliwowym Celem ćwiczenia jest poznanie zależności prądowo-napięciowych, na których oparta jest zasada działania ogniwa Do wykonania ćwiczenia potrzebne są: moduł solarny, elektrolizer, ogniwo paliwowe, moduł pomiarowy, kable, 2 krótkie rurki, 2 długie rurki, 2 korki, 2 tuby, woda destylowana, stoper, źródło światła. Schemat 5 Opis wykonania ćwiczenia 1. Złożyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem 5a, sprawdzić podłączenie kabli. 2. Cylindry elektrolizera zamknąć silikonowymi korkami, uzupełnić je wodą destylowaną do poziomu 0 ml, założyć tuby. 3. Źródło światła ustawić w odległości ok. 5 cm od modułu solarnego. Światło powinno padać na moduł solarny prostopadle do jego powierzchni. 4. Ustawić pokrętło na module pomiarowym na OPEN i włączyć moduł. 5. Włączyć źródło światła i skierować je na moduł solarny, poczekać na 5 min na oczyszczenie układu. 6. Ustawić na module pomiarowym 3 Ω i odczekać 3 min 7. Po wyznaczonym czasie ponownie przełączyć moduł pomiarowy na OPEN, odczekać 3 min i zamknąć korkami odpływu gazowe (5b). 8. Kiedy wodór wypełni cylinder do 5 ml należy odłączyć moduł solarny i włączyć stoper. Po czasie 5 min należy zmierzyć ubytek wodoru, ponieważ w każdym układzie są wycieki wodoru. 9. Włączyć źródło światła i ponownie zgromadź 5 ml wodoru. 10. Wyłączyć źródło światła i odłączyć moduł solarny. 11. Na module pomiarowym ustawić 3Ω, zapisywać zużycie wodoru przez ogniwo paliwowe co 120 s przez 8 minuty. 12. Przełączyć moduł pomiarowy na OPEN i ponownie zgromadzić 5 ml wodoru. 13. Wyłączyć źródło światła. Na module pomiarowym ustawić rezystancję na 10 Ω i po 2 minutach odczytać objętość wodoru zużytą przez ogniwo. Przełączyć moduł pomiarowy na OPEN i zgromadzić wodór do objętości 5 ml. Powtórzyć pomiary dla rezystancji 5, 3 i 1 Ω. 14. Po ostatnim pomiarze przełączyć pokrętło na module pomiarowy na OPEN i odkorkować odpływy gazowe. 15. Poprawić wyniki o wskaźnik ubytku wodoru. 16. Wyniki pomiarów zebrać w poniższej tabeli. Katedra Chemii Nieorganicznej 17

Ubytek wodoru Objętość ubytku wodoru po 5 min Wskaźnik ubytku wodoru [cm 3 /min] Pierwsza część prawa Faraday a czas, [s] objętość, V H2 [cm 3 ] 60 120 180 240 objętość V H2 (poprawiona) [cm 3 ] Druga część prawa Faraday a natężenie, I opór, R [Ω] [ma] 10 3 1 napięcie, V [V] objętość, V H2 [cm 3 ] objętość, V H2 (poprawiona) [cm 3 ] Zagadnienia do opracowania w sprawozdaniu 1. Obliczyć wskaźnik ubytku wodoru w cm 3 /min, w oparciu o otrzymany wynik skorygować wyniki pomiarów o wskaźnik ubytku H 2. 2. Narysować krzywą ubytku wodoru. 3. Przeanalizować relację pomiędzy objętością zużytego wodoru a natężeniem prądu (I prawo Faraday a). Katedra Chemii Nieorganicznej 18

4.6. Ogniwo zasilane metanolem Celem ćwiczenia jest poznanie zależności, na których oparta jest zasada działania ogniwa metanolowego. Do wykonania ćwiczenia potrzebne są: metanolowe ogniwo paliwowe, metanol o stężeniu 0,25 M, 0,5 M i 1 M, moduł pomiarowy, kable, korki (z dziurką). Schemat 6 Opis wykonania ćwiczenia 1. Złożyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem 6, ustawić pokrętło na module pomiarowym na OPEN. 2. Uzupełnić ogniwo metanolem o stężeniu 0,25 M, upewnić się, że nie ma żadnych zamkniętych pęcherzyków powietrza, zakorkować ogniwo. 3. Odczekać 5-10 min na otwartym obwodzie. 4. Ustawić pokrętło na module pomiarowym na 3 Ω i odczekać 2 min. 5. Przestawić pokrętło na module pomiarowym na OPEN, odczekać kolejne 2 minuty. 6. Pokrętłem na module pomiarowym przestawiać wartość rezystancji co 60 s (czas potrzebny na stabilizację ogniwa), poczynając od pozycji OPEN, następnie od 1 Ω do 200 Ω. Dla każdej wartości oporu odczytać napięcie oraz natężenie prądu. 7. Po zakończeniu ćwiczenia ustawić pokrętło modułu pomiarowego na OPEN. 8. Powtórzyć pomiary dla pozostałych stężeń metanolu. 9. Wyniki pomiarów zebrać w tabeli. Katedra Chemii Nieorganicznej 19

rezystancja, R [Ω] OPEN 200 100 50 10 3 1 napięcie, V [V] 0,25 M 0,5 M 1 M natężenie, napięcie, natężenie, napięcie, I [ma] V [V] I [ma] V [V] natężenie, I [ma] Zagadnienia do opracowania w sprawozdaniu 1. Zapisać równania reakcji zachodzących na elektrodach. 2. Narysować charakterystyki napięcie-natężenie i moc-natężenie dla wszystkich stężeń metanolu (2 wykresy zbiorcze) oraz zinterpretować wyniki jeśli pojawią się jakieś różnice należy wyjaśnić z czego wynikają. 3. Jeśli wykonywane było ćwiczenie 4.4: Porównać ogniwo metanolowe z ogniwem paliwowym (krzywe mocy, uzyskiwane napięcia i natężenia prądu; łatwość/trudność użycia ogniwa). W oparciu o otrzymane wyniki oraz dostępną wiedzę, napisać i uzasadnić, które ogniwo jest lepsze i dlaczego. Katedra Chemii Nieorganicznej 20