Po co to wszystko?

Po co to wszystko?

Coraz większe zanieczyszczenie środowiska,

efekt cieplarniany, zmniejszające się zasoby

paliw nieodnawialnych to światowe problemy,

dlatego należy właściwie gospodarować

zasobami energii. Naprzeciw wychodzą

chemiczne źródła prądu. Obserwuje się rozwój

prac nad konstrukcją akumulatorów niklowo-

wodorkowych oraz litowo-jonowych. Również

koncepcja ogniw paliwowych ewoluuje.

Prawdopodobnie ekologiczne samochody

napędzane za pomocą ogniw paliwowych

zastąpią stare, o niskiej sprawności silniki

benzynowe.

Chemiczne źródła prądu

Chemiczne źródła prądu

Ogniwa

Ogniwa

Galwaniczne

Galwaniczne

Paliwowe

Paliwowe

•

Nieodnawialne

Nieodnawialne

(popularne baterie)

(popularne baterie)

•

Odnawialne

Odnawialne

(akumulatory)

(akumulatory)

•

z membraną do wymiany

z membraną do wymiany

protonów

protonów

•

odwracalne ogniwo paliwowe

odwracalne ogniwo paliwowe

•

bezpośrednie ogniwo metanolowe

bezpośrednie ogniwo metanolowe

•

z zestalonym elektrolitem

z zestalonym elektrolitem

tlenkowym

tlenkowym

•

ze stopionym węglanem

ze stopionym węglanem

•

z kwasem fosforowym

z kwasem fosforowym

•

alkaliczne ogniwo paliwowe

alkaliczne ogniwo paliwowe

Początki ogniw

Początki ogniw

galwanicznych

galwanicznych

W siedemdziesiątych latach XVIII wieku Lugiego

Galvanii badał wpływ prądu elektrycznego na reakcje

mięśni spreparowanych udek żab. Stwierdził że udka żabie

ulegają skurczom po dotknięciu ich, z obu końców, prętami

wykonanymi z różnych metali.

Odkryciami Galvaniego zainteresował się fizyk

Alessandro Volta, który zamiast udek żabich do swoich

badań użył elektrolitu (wody morskiej), w której zanurzone

były elektrody wykonane z dwóch różnych metali.

Wywnioskował, że przyczyną skurczów żabich ciał było

zamknięcie obwodu stykających się ze sobą metali przez

wilgotną tkankę mięśniową żab. Volt do zamykania obwodu

używał wody morskiej, a później kawałka filcu nasyconego

kwasem siarkowym (VI) i po wstawieniu do między dwie

płytki różnych metali stwierdził za pomocą elektroskopu, że

między obiema płytkami wytwarza się napięcie

elektryczne.

Stos Volty

Stos Volty

Rozbudowując swój pomysł

Volta złożył większą ilość
metalowych par płytek
poprzedzielanych kawałkami
filcu nasączonego kwasem
siarkowym (VI). Po zetknięciu
wolnych końcówek przewodu
przepływał przez nie prąd. Z
otrzymanego urządzenia, tzw.
stosu Volty, można było
otrzymać prąd elektryczny o
dość dużym napięciu. W 1800
roku Volta zbudował pierwsze
ogniwo.

Ogniwa galwaniczne

Ogniwa galwaniczne

Ogniwem galwanicznym nazywamy układ,

który jest zbudowany z dwóch elektrod
(od lewej: katody i anody) połączonych
przewodnikiem metalicznym. W
powyższym układzie płynie prąd
elektryczny.

Ogniwa galwaniczne c.d.

Ogniwa galwaniczne c.d.

Zasada działania ogniw galwanicznych -

w trakcie reakcji chemicznej zostają

uwolnione elektrony, które są nośnikiem

energii przekazywanej na sposób elektryczny.

Większość reakcji chemicznych polega na

wymianie elektronów między atomami lub

jonami substancji biorących udział w reakcji

(reagentów). Są to reakcje utleniania-

redukcji. Podczas poniższej reakcji uwalnia

się energia która jest bezpośrednio

zamieniana na energię elektryczną.

1

1

1

Red

e

n

Oks







Ogniwo Leclanchego

Ogniwo Leclanchego

W 1866 r. G. Leclanche

skonstruował układ nazwany na jego

cześć ogniwem Leclanchego. W ogniwie

elektrodą dodatnią jest tlenek manganu

(IV), a elektrodą ujemną cynk. Poborcą

prądu katody jest pręt wykonany z

przewodzącego węgla. Pręt węglowy

otoczony jest warstwą sproszkowanego

dwutlenku manganu zmieszanego z

grafitem (depolaryzator). Całość jest

zanurzona jest w naczyniu cynkowym

(anoda) wypełnionym stężonym

roztworem chlorku amonu. Przykładem

takiego ogniwa są popularne baterie.

Ogniwo to zostało ulepszone przez

Ferrego, który zastosował zamiast

roztworu elektrolitu substancję

porowatą (np. skrobię) nasyconą tym

roztworem. W ten sposób powstało

ogniwo suche.

Inne przykłady ogniw

Inne przykłady ogniw

W wyniku utrudnionego dostępu podczas I wojny światowej do

rud manganowych w latach 30. XX w. popularne stały się ogniwa
cynkowo-powietrzne, których zasada działania polega na redukcji
tlenu z powietrza na materiałach węglowych oraz na utlenianiu
anody cynkowej. Reakcje przebiegają w wodnym roztworze NaOH
lub KOH. Najważniejszą zaletą takiego ogniwa jest tlenowa katoda o
niewielkiej masie i jej praktycznie nieograniczona pojemność (tlen z
powietrza).
W wyniku tego ogniwo o wymiarach popularnej baterii R20 ma
kilkakrotnie większą pojemność elektryczną od ogniwa
Leclanchego.

Kolejnym przykładem są ogniwa wysokotemperaturowe

ze stałym elektrolitem, które jako anodę wykorzystują ciekły sód.
Działanie tych ogniw determinuje przede wszystkim przewodnictwo
jonów sodu w elektrolicie. Ze względu na budowę ogniwa te działają
prawidłowo w przedziale temperatur 200-400 stopni Celsjusza.

Akumulatory -

Akumulatory -

wprowadzenie

wprowadzenie

Akumulator to rodzaj ogniwa galwanicznego zdolny do

wielokrotnego gromadzenia i uwalniania energii elektrycznej dzięki
odwracalnym reakcjom chemicznym zachodzącym w elektrolicie oraz
na styku elektrolitu elektrod. Podczas działania akumulatorów
wyróżniamy dwa cykle: ładowanie i praca. Wspomniane wcześniej
odwracalne reakcje są w rzeczywistości identyczne w obu tych cyklach,
jednakże zachodzą one w przeciwnych kierunkach. Faktem, który
sprawia, że akumulatory mają ograniczoną żywotność są niepożądane
nieodwracalne reakcje zachodzące podczas działania akumulatorów.

Najpopularniejsze rodzaje akumulatorów to:
• kwasowo-ołowiowy - masowo wykorzystywany w samochodach,
• niklowo-kadmowy (NiCd) – alkaliczny np. w postaci baterii AA lub

AAA,

• litowo-jonowy (Li-ion) – wykorzystywany np. w laptopach czy

telefonach komórkowych.

Zasady działania

akumulatorów

Kwasowo-ołowiowy

Składa się z katody (metaliczny ołów), anody (tlenek ołowiu IV) i

elektrolitu (wodny roztwór kwasu siarkowego z różnymi dodatkami).
Jego działanie opiera się o reakcje utleniania w katodzie:

Zgodnie z równaniami jedno ogniwo produkuje prąd o napięciu 2,1V.
Typowy akumulator samochodowy składa się z 6 takich ogniw.

Litowo-jonowy

Elektrody wykonane są z porowatego węgla i tlenków metali,

elektrolit zaś stanowią rozpuszczone w mieszaninie organicznych
rozpuszczalników złożone chemicznie sole litowe. W związku z
wymaganym częstym ładowaniem takiego akumulatora, nadaje się on
idealnie do zastosowania w takich urządzeniach
jak telefony komórkowe czy laptopy.

i redukcji w anodzie:

Ogniwa paliwowe

Ogniwa paliwowe

Ogniwem paliwowym nazywamy

układ generujący energię elektryczną
z reakcji utleniania stale
dostarczanego do niego z zewnątrz
paliwa.

Rodzaje ogniw paliwowych

Rodzaje ogniw paliwowych

Podział ogniw paliwowych bazuje na zastosowanym w ogniwie

elektrolicie. Zastosowany elektrolit determinuje temperaturę
reakcji zachodzącej w ogniwie oraz rodzaj paliwa zasilającego
ogniwo.

• PEM (Proton Exchange Membrane) – elektrolit: Polimer w
stanie stałym, paliwo:

wodór;

• AFC (Alkaline Fuel Cell) – e. : Roztwór KOH, paliwo wodór;
• DMFC (Direct Metanol Fuel Cell) – e. : Polimer w stanie
stałym; paliwo:

metanol;

• PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) – e. : Kwas fosforowy,
paliwo: wodór;
• MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) - e. : Stopiony węglan,
paliwo: wodór,

metan, metanol, gaz LPG i inne.

•SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) – e. : Ceramika tlenkowa, paliwo:
wodór,

metan, metanol, gaz LPG i inne.

Budowa i działanie ogniw

Budowa i działanie ogniw

paliwowych

paliwowych

1. Bezpośrednie ogniwo metanolowe (rys. 1) - posiada
polimerową membranę, taką jak ogniwa paliwowe z membraną
do wymiany protonów. Różnica między tymi ogniwami tkwi w
rodzaju paliwa, a także w konstrukcji anody, która w ogniwie
metanolowym pozwala na dokonanie wewnętrznego rozpadu
metanolu i uzyskanie wodoru do zasilania. Ogniwa metanolowe
mają sprawność równą 40%. Stosowane są do budowy baterii dla
urządzeń przenośnych.

2. Ogniwo paliwowe z zestalonym elektrolitem tlenkowym
(rys. 2) - ma membranę wykonaną z ceramiki tlenkowej. Pracuje
w wysokich temperaturach 650-1000 stopni Celsjusza. Posiada
wysoką sprawność - do 85%. Powyższe ogniwo stosuje się w
budowie stacjonarnych generatorów energii elektrycznej i ciepła.

Budowa i działanie ogniw

paliwowych

3. Alkaliczne ogniwo paliwowe (rys. 3) - elektrolitem jest
KOH, reakcja przebiega w temperaturach od 100-250 stopni
Celsjusza (zależna od stężenia roztworu KOH), pierwsze
ogniwo zastosowane w kosmonautyce.
4. Ogniwo paliwowe ze stopionym węglanem (rys. 4) -
elektrolitem jest stopiony węglan litu/potasu. Pracuje w
wysokich temperaturach i używane jest do produkcji
elektrowni małej i średniej mocy.

Rys. 1 Rys. 2 Rys. 3
Rys. 4

Ogniwo paliwowe z kwasem

Ogniwo paliwowe z kwasem

fosforowym

fosforowym

Elektrolitem jest kwas ortofosforowy (V),
sprawność wynosi 40%, dodatkowo para
wodna produkowana przez ogniwo, może
być zamieniana na ciepło.

Zalety ogniw paliwowych

Zalety ogniw paliwowych

1.

Wysoka jakość dostarczanej energii – dostarczana
energia jest odporna na zakłócenia, dzięki czemu jest
idealną dla tak wrażliwych urządzeń jak aparatura
medyczna czy komputery.

2.

Wysoka sprawność – często osiąga poziom 50%, czasami
dochodzi nawet do 85%. Wynika to z małej masy ogniw w
porównaniu do innych źródeł energii o podobnej mocy.

3.

Możliwość stosowania różnych rodzajów paliw –
wodór stosowany w ogniwach może pochodzić z różnych
źródeł energii alternatywnej.

4.

Ochrona środowiska – w porównaniu z generatorami
spalinowymi ogniwa paliwowe produkują 25 razy mniej
zanieczyszczeń. W przypadku zasilania wodorem
ograniczają się one głównie do pary wodnej.

5.

Skalowalność – ogniwa paliwowe można łączyć, w celu
osiągnięcia pożądanego poziomu mocy.

Bibliografia

• Czerwiński A., Akumulatory, baterie i ogniwa, Wydawnictwa

Komunikacji i Łączności, Warszawa 2005.

• Czerwiński A., Czerwińska A., Jeziorska M., Kańska M.,

Chemia. Część 3. Kształcenie w zakresie rozszerzonym.
Podręcznik dla liceum ogólnokształcącego, liceum
profilowanego i technikum, Wydawnictwa Szkolne i
Pedagogiczne, Warszawa 2004.

• Cisak A., Werblan L., Wysokoenergetyczne nie wodne

ogniwa galwaniczne, PWN, Warszawa,1986.

• Encyklopedia PWN
• Internet (Wikipedia, Google-Images)