. 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. Bezpośrednie metanolowe ogniwo paliwowe ...................................................12
1.10. Zastosowania przenośne................................................................................13
1.11. Zastosowania ruchome...................................................................................13
1.12. Zastosowania stacjonarne..............................................................................14
2.1. Charakterystyka prądowo-napięciowa, krzywa mocy i sprawność modułu
słonecznego....................................................................................................................16
2.2. Charakterystyka prądowo-napięciowa elektrolizera PEM.................................20
2.3. Sprawność energetyczna i sprawność Faradaya elektrolizera PEM ................23
2.4. Charakterystyka napięciowo-prądowa i krzywa mocy ogniwa paliwowego PEM
........................................................................................................................................27
2.5. Sprawność energetyczna i sprawność Faradaya ogniwa paliwowego PEM ....31
2.6. Charakterystyki prądowo napięciowe bezpośredniego ogniwa metanolowego
(DMFC) ...........................................................................................................................36
Arkusze ćwiczeń .............................................................................................................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. Rozwiązania 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
Zmniejszające się zasoby surowców energetycznych, rosnące zanieczyszczenie
środowiska i zwiększające się zapotrzebowanie na energię zmuszają do rozważenia
struktury naszego systemu zaopatrzenia w energię.
Nasze globalne zasoby
2250
paliw kopalnych i jądrowych
2200
są ograniczone
2150
2100
2050
2000
uran gaz ropa węgiel
ziemny naftowa
Rys. 1. przewidywana dostępność paliw kopalnych i jądrowych
(w oparciu o obecne zużycie)
Niezbędne zmiany w naszym systemie zaopatrzenia w energię będą możliwe jeśli
będziemy mogli wykorzystać energię odnawialną jak na przykład słoneczną, wiatru lub wody
jako podstawową część rynku energii.
Problemem z którym się spotykamy przy wykorzystaniu ogniw słonecznych lub
elektrowni wiatrowych do produkcji energii elektrycznej polega na tym, że zapotrzebowanie
na energię elektryczną i możliwość jej produkcji nie muszą się pokrywać się w czasie. Na
przykład ogniwa słoneczne będą dostarczały energię w ciągu dnia a ta energia będzie
potrzebna do oświetlenia w nocy. Podobnie elektrownia wiatrowa będzie dostarczać energię
w czasie gdy wieje wiatr. W takich przypadkach gdy możliwości produkcji nie pokrywają się z
zapotrzebowaniem w czasie lub w miejscu, konieczna jest możliwość wygodnego
magazynowania i przesyłania energii. Taką możliwość daje wodór. Kombinacja
wykorzystania energii słonecznej do produkcji energii elektrycznej i wykorzystania wodoru
jako nośnika energii do jej magazynowania i przesyłania jest nazywana cyklem słoneczno-
wodorowym. W czasie gdy ogniwa słoneczne i elektrownie wiatrowe produkują więcej energii
elektrycznej niż wynosi zapotrzebowanie, zbędna energia jest wykorzystywana do produkcji
2
wodoru (Rys 2.). Proces ten zachodzi w elektrolizerach, w których woda jest rozdzielana na
wodór i tlen. Wodór (i potencjalnie tlen) może być magazynowany i transportowany. Energię
elektryczną z wodoru produkuje się w ogniwach paliwowych. W czasie reakcji wodór łączy
się z tlenem. Produktami są woda, energia elektryczna i cieplna. Wykorzystanie wodoru w
tym cyklu pozwala na produkcję energii elektrycznej w dogodnym miejscu i czasie.
1.2. Energia słoneczna
Energie odnawialne: co to jest i jak je wykorzystywać.
Energie odnawialne to z
ródła energii które są w sposób ciągły odnawiane w naturalnych
procesach zachodzących w ludzkiej skali czasowej. W przeciwieństwie do tego , paliwa
kopalne (węgiel, gaz ziemny, ropa naftowa) potrzebują milionów lat procesów geologicznych
do powstania. Energie odnawialne z drugiej strony są rzeczywiście niewyczerpywalne.
Do odnawialnych z
ródeł energii można zaliczyć:
Energię słoneczną
Energia słoneczna otacza nas w różnych formach i może być wykorzystana w
różnorodny sposób:
" promieniowanie słoneczne: urządzenia fotovoltaiczne, ogrzewanie słoneczne,
" ruch atmosfery: energia wiatru
" parowanie, opady: energia hydroelektryczna
" biomasa: np. biopaliwa, biogaz
Obecnie najczęściej wykorzystywanymi urządzeniami korzystającymi z energii
odnawialnej są ogniwa słoneczne, elektrownie wiatrowe i elektrownie wodne.
Energia pływów (grawitacyjne przyciąganie Słońca, Ziemi i Księżyca).
Elektrownie pływowe wykorzystują energię pływów. Woda jest magazynowana w czasie
przypływu, i wykorzystywana do produkcji energii w turbinach w czasie odpływu.
Energia geotermalna (radioaktywność i ciepło wnętrza Ziemi)
Elektrownie geotermalne wykorzystują ciepło wnętrza Ziemi. Ciepło może być
wykorzystywane bezpośrednio, lub przetwarzane na energię elektryczną.
Systemy fotovoltaiczne przetwarzają promieniowanie słoneczne bezpośrednio w
energię elektryczną.
Podstawą tej technologii są materiały półprzewodnikowe takie jak krzem.
Typowe ogniwo słoneczne składa się z dwóch różnie domieszkowanych
półprzewodników. Domieszkowanie jest to kontrolowane wprowadzanie zanieczyszczeń do
materiału bazowego. W przypadku czystego kryształu półprzewodnika (np. krzemu)
zastępuje się niektóre atomy w siatce krystalicznej pierwiastkami mającymi o jeden elektron
walencyjny więcej lub o jeden elektron walencyjny mniej niż materiał podstawowy (elektrony
3
walencyjne określają zachowanie chemiczne materiału, są one umiejscowione na
zewnętrznej powłoce elektronowej atomu). Pierwiastki półprzewodzące mają cztery elektrony
walencyjne z których wszystkie są wykorzystane w wiązaniach w siatce krystalicznej. Jeśli
materiał domieszki ma pięć elektronów walencyjnych, jeden z nich będzie dodatkowym,
słabo związanym z atomem domieszkującym.  Wolne elektrony mogą poruszać się łatwo w
siatce i są odpowiedzialne za zwiększenie przewodności. Ponieważ mają one ładunek
ujemny, materiał domieszkowany w ten sposób jest nazywany półprzewodnikiem typu  n .
Jeśli z kolei materiał domieszkujący ma tylko trzy elektrony walencyjne, siatka krystaliczna
będzie miała niedomiar elektronów to znaczy będzie miała jedną  dziurę (ładunek dodatni)
na atom domieszki. Podobnie do powyższych wolnych elektronów dziury mogą się łatwo
przemieszczać w siatce zwiększając ponownie przewodność. Ponieważ w tym przypadku
wolne ładunki są dodatnie, ten rodzaj półprzewodnika jest nazywany półprzewodnikiem typu
 p .
Jeśli półprzewodnik typu n zostanie połączony z półprzewodnikiem typu p, powstaje
złącze p-n. Różnice koncentracji dziur i wolnych elektronów pomiędzy rejonami n i p,
powodują powstanie dyfuzyjnego: elektrony przepływają z obszaru n do obszaru p i
wypełniają dziury. To tworzy region który jest prawie pozbawiony wolnych nośników ładunku
i dlatego jest nazywany warstwą zubożoną. W warstwie zubożonej po stronie n jest dodatni
ładunek netto, a po stronie p ujemny co powoduje powstanie pola elektrycznego
zapobiegającego dalszemu przepływowi elektronów. Im więcej elektronów przepłynie ze
strony n na stronę p tym silniejsze jest to pole. Prowadzi to do ustalenia się stanu
równowagi w którym przepływ elektronów ustaje. Różnica potencjałów w polu
równowagowym jest nazywana napięciem dyfuzji. To napięcie nie może być wykorzystane w
zewnętrznym obwodzie. Jednakże gdy światło pada na ogniwo słoneczne, równowaga
zostaje zaburzona i tak zwany wewnętrzny efekt fotowoltaiczny powoduje powstanie
dodatkowych nośników ładunku mogących poruszać się w polu elektrycznym warstwy
zubożonej.
Dziury poruszają się w kierunku regionu p a elektrony w kierunku n, powodując
powstanie zewnętrznego napięcia (biegu jałowego) ogniwa. Napięcie biegu jałowago ogniwa
słonecznego zależy od materiału a nie od jego powierzchni. Fotoogniwa krzemowe mają
napięcie biegu jałowego około 0,5 V. Większe napięcia można uzyskać łącząc ogniwa
szeregowo.
Prąd dostarczany przez fotoogniwo zależy od natężenia światła padającego na nie.
Równoległe łączenie ogniw pozwala na uzyskanie większego prądu.
Moc ogniwa zależy nie tylko od samego ogniwa ale również od przyłączonego
obciążenia elektrycznego. Punkt mocy maksymalnej można określić z charakterystyki
napięciowo-prądowej ogniwa (rozdział 2.1).
4
Sprawność fotoogniwa zależy od jego temperatury i maleje w miarę jej wzrostu..
Najczęściej używanym do budowy fotoogniwa półprzewodnikiem jest krzem w różnych
postaciach:
1. krzem monokrystaliczny (sprawność ogniwa ok. 14-17%)
2. krzem polikrystaliczny (sprawność ogniwa ok. 13-15%)
3. krzem amorficzny (sprawność ogniwa ok. 5-7%)
Energia wiatru
Energia wiatru jest używana od wieków. Wiatraki przekształcały energię wiatru w
energię mechaniczną wykorzystywaną do celów takich jak mielenie zboża.
Obecnie energia wiatru jest wykorzystywana do produkcji energii elektrycznej w
elektrowniach wiatrowych.
Podstawowymi składnikami elektrowni wiatrowej są:
Fundament zapewnia posadowienie elektrowni w gruncie
Maszt wykonywany typowo ze stali lub żelbetonu, obecnie o wysokości od 10 do
120m, w przyszłości planowane są wyższe maszty,
Gondola konstrukcja mieszcząca generator, przekładnię i inne części elektrowni,
Wirnik przekształca energię wiatru w mechaniczną energię obrotową. Wał wirnika
napędza przekładnię,
Przekładnia zmienia wolne obroty wirnika na szybkie obroty wymagane przez
generator. Niektóre systemy wiatrowe nie wymagają zwiększenia prędkości
obrotowej dla generatora,
Generator przetwarza energię mechaniczną w energię elektryczną.
Komercyjne elektrownie wiatrowe mają sprawność całkowitą pomiędzy 35% a 43%.
Największe straty energii występują przy zamianie energii wiatru na energię obrotową
wirnika (straty aerodynamiczne), sprawność wynosi ok. 45-50%. Straty związane z
przekładnią wynoszą 2,5% a elektryczne ok. 5%.
Energia wody
Elektrownie wodne przetwarzają energię kinetyczną wody w energię elektryczną.
Typowo elektrownia wodna jest budowana w połączeniu z tamą na rzece. Tama
podnosi poziom wody w powstałym zbiorniku.
Woda przepływając rurami ze zbiornika do elektrowni zamienia swoją energię
potencjalną na kinetyczną, która jest z kolei wykorzystywana do napędzania turbiny. Turbina
przekształca energię kinetyczną wody w energię mechaniczną. W końcu generator
przekształca tę energię w energię elektryczną.
Elektrownie wodne osiągają sprawności 80  90%.
Moc systemu wyznacza wzór:
5
& &
P = V �" b �" g �" � �"� V = strumień wody (objętość/czas)
b = wysokość spadku
g = przyspieszenie ziemskie
r = gęstość wody
h = całkowita sprawność systemu
Elektrownie wodne można podzielić na przepływowe i zbiornikowe>
Elektrownie przepływowe są budowane na rzece o małym spadku i dużym przepływie.
Pracują one w sposób ciągły i dlatego są odpowiednie do pracy podstawowej. W elektrowni
zbiornikowej woda jest magazynowana w naturalnym lub sztucznym zbiorniku. To pozwala
na kontrolę zmienności przepływu a także na dostosowanie mocy elektrowni do
zapotrzebowania systemu. Woda ze zbiornika może być wykorzystywana w szczycie
obciążenia. Dlatego elektrownie zbiornikowe są odpowiednie do pracy jako szczytowe.
Specjalnym przypadkiem elektrowni zbiornikowych są elektrownie pompowe.
1.2. Elektrolizery PEM (z elektrolitem z membrany polimerowej)
Wodór i tlen mogą być produkowane w procesie elektrolizy wody. Elektroliza jest to
proces elektrochemiczny polegający na rozkładzie elektrolitu przy pomocy prądu stałego
przepływającego przez elektrolit pomiędzy elektrodami. Jeśli proces elektrolizy ma
zachodzić, natężenie prądu musi być równe lub większe od pewnej wartości progowej,
zależnej od materiału, znanej jako napięcie rozkładowe. Elektrolizery różnią się typem
elektrolitu i rodzajem elektrod.
Elektrolizery PEM (Rys.7) mają szczególnie prostą i kompaktową budowę. Centralnym
składnikiem jest przewodząca protony membrana polimerowa pokryta warstwami
katalizatora na obu stronach. Te warstwy są elektrodami.
Jeśli do elektrod jest przyłożone napięcie większe od napięcia rozkładowego wody,
elektrolizer PEM rozkłada czystą wodę na wodór i tlen. Teoretyczne napięcie rozkładowe dla
wody wynosi 1,23 V, jednak w praktyce to napięcie musi być nieco większe. (rozdział 2.2)
Elektrolizery o większej mocy są budowane jako zestawy szeregowo połączonych
pojedynczych elektrolizerów. Sprawność elektrolizerów PEM wynosi ok. 85%.
Jak pracują elektrolizery PEM
Przypuśćmy, że napięcie stałe jest przyłożone do elektrod elektrolizera PEM (rys 7). Na
anodzie (prawa elektroda) woda jest utleniana zostawiając tlen, protony (jony H+) i wolne
elektrony. Podczas gdy tlen gazowy może być odbierany bezpośrednio z anody, protony
(żółte +) migrują przez membranę przewodzącą protony do katody, gdzie są redukopwane
do wodoru (konieczne do tego elektrony są dostarczane z zewnętrznego obwodu).
Reakcja na anodzie: 2H2O 4H+ + 4e- + O2
Reakcje na katodzie: 4H+ + 4e- 2H2
6
Reakcje sumaryczne 2H2O 2H2 + 2O2
Elekrolizery PEM są nazywane od ich materiału elektrolitu membrany polimerowej
przewodzącej protony. Akronim PEM odpowiada Proton Exchange Membrane lub Polimer
Electrolite Membrane. PEM składa się ze struktury teflonopodobnej z dołączonymi grupami
SO3H. Jeśli membrana staje się mokra, kwas siarkowy dysocjuje, membrana staje się
kwaśna i przewodzi protony. pozwala to na łatwy transport jonów H+ podczas gdy aniony nie
mogą przejść przez membranę.
1.4. Magazynowanie wodoru
Magazynowanie ciśnieniowe
Najłatwiejszą i najbardziej ekonomiczną metodą magazynowania wodoru jest sprężenie
go i przechowywanie w ciśnieniowych zbiornikach o odpowiedniej wytrzymałości (Rys8).
Jeśli problemem nie jest waga lub objętość, to ta metoda jest najlepsza. Zbiorniki są
zaprojektowane na ciśnienie 200 bar. Są one używane w pomieszczeniach i na zewnątrz.
Nowoczesne zbiorniki są wykonywane z kompozytów węglowych. Są one nie tylko lżejsze od
konwencjonalnych al. mają mogą również wytrzymywać większe ciśnienia, obecnie do 350
bara w przyszłości nawet 700.
Magazynowanie kriogeniczne (w postaci ciekłej)
W tej metodzie wodór jest składowany w postaci ciekłej w temperaturze poniżej -253�C.
Główną zaletą tej metody jest wysoka gęstość składowania energii w jednostce objętości (i
masy). Jest to szczególnie ważne przy małej ilości miejsca (np. w transporcie lub
tankowcach).
Wodór skrapla się w temperaturze -253�C. W tak niskich temperaturach składowanie
jest możliwe tylko w specjalnych zbiornikach kriogenicznych o odpowiedniej izolacji cieplnej.
Ale nawet w takich zbiornikach wodór można składować bez strat tylko przez kilka dni. Po
tym czasie, pomimo izolacji, wystąpią straty parowania. Na skutek wzrostu temperatury mała
część wodoru odparowuje. Aby nie dopuścić do wzrostu ciśnienia w zbiorniku, tę ilość
wodoru trzeba wypuścić. Takie straty gazu wynoszą ok. 0,4%/dzień.
Inną istotną stratą energii jest związana ze skraplaniem wodoru: energia konieczna do
jego skroplenia sięga 1/3 zmagazynowanej energii.
Magazynowanie w wodorkach metali
Wodór może być magazynowany jako wodorki metali, w siatce krystalicznej niektórych
metali lub stopów. Pod ciśnieniem nieco przekraczającym ciśnienie otoczenia wodór jest
pompowany do środka magazynującego w którym łączy się z metalem tworząc wodorki
metalu w reakcji egzotermicznej. Reakcja jest odwracalna: dostarczenie ciepła powoduje
rozkład związku i uwalnianie wodoru.
7
W porównaniu do metod przedstawionych wyżej, wodór magazynowany jako wodorki
metali jest bezpieczniejszy i łatwiejszy w użyciu. Ta metoda składowania ma wysoką gęstość
objętościową energii. Jest ona odpowiednia do zastosowania w samochodach ponieważ
mała objętość zbiornika wystarczy do zapewnienia samochodowi koniecznego zasięgu.
Problemem w tym przypadku jest mała wagowo gęstość magazynowania energii, co
powoduje duży ciężar 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, że proces
elektrolizy może być odwrócony.
Na przykład, przy elektrolizie wody, elektryczność jest używana do produkcji wodoru i
tlenu. W ogniwie paliwowym zachodzi reakcja odwrotna: wodór i tlen reagują dając wodę i
elektryczność.
Grove zbudował swoje pierwsze ogniwo paliwowe w 1839r. Schemat na rysunku obok
przedstawia model zbudowany w 1842r. składający się z czterech elementów połączonych
szeregowo. Każdy z czterech pojemników jest wypełniony roztworem kwasu siarkowego i ma
dwie rurki szklane z elektrodami platynowymi wewnątrz. Rurki są w górnej części zamknięte i
wypełnione: anoda  wodorem a katoda  tlenem. Generowana elektryczność może być
wykorzystana w zewnętrznym obwodzie. Na rysunku jest ona wykorzystana do
przeprowadzenia elektrolizy wody.
Trudności z materiałami, wynalezienie silników spalinowych i maszyn elektrycznych w
połączeniu z niewyczerpalnymi (jak się wydawało) zasobami paliw to niektóre z przyczyn
tego, że 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 wykorzystująca
spalania.
1.6. Typy ogniw paliwowych
Ogniwo paliwowe składa się zasadniczo z dwóch elektrod (katody i anody) oddzielonych
przez elektrolit. Zwykle typ elektrolitu jest używany do rozróżnienia typów ogniw paliwowych.
Jednakże jest szereg dodatkowych charakterystyk takich jak temperatura pracy, sprawność i
zastosowanie, które mogą się znacznie różnić w różnych typach ogniw.
8
Ogniwo paliwowe Elektrolit Temperatura Sprawność Paliwo
pracy elektryczna utleniacz
Alkaliczne ogniwo Roztwór pokojowa do 60-70% H2
paliwowe AFC wodorotlenku 90�C O2
potasu (KOH)
ogniwo paliwowe z membraną pokojowa do 40  80 % H2
membraną umożliwiającą 80�C O2, powietrze
umożliwiającą wymianę wymianę protonów
protonów PEMFC
Bezpośrednie membraną pokojowa do 20  30% CH3OH
metanolowe ogniwo umożliwiającą 130�C O2, powietrze
paliwowe DMFC wymianę protonów
Ogniwo paliwowe z kwas fosforowym 160 - 220�C 55% Gaz ziemny, biogaz, H2
kwasem fosforowym O2, powietrze
PAFC
Ogniwo paliwowe ze Stopiona 620 - 680�C 85% Gaz ziemny, biogaz, gaz ze
stopionymi węglanami mieszanina zgazowania węgla, H2
MCFC węglanów metali O2, powietrze
alkalicznych
Ogniwa paliwowe z Ceramika 800 - 1000�C 80  85% Gaz ziemny, biogaz, gaz ze
zestalonym elektrolitem przewodząca jony zgazowania węgla, H2
tlenkowym SOFC tlenu O2, 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 90�C (ale temperatura może być
wyższa w zależności od stężenia elektrolitu). Ogniwa AFC mają wysoką sprawność i
wykorzystują tani elektrolit. Głównym problemem przy tym ogniwie jest pochłanianie CO2
przez elektrolit. CO2 reaguje z KOH, w wyniku reakcji tworzy się nierozpuszczalny węglan.
To oznacza, że te ogniwa mogą wykorzystywać bardzo czyste wodór i tlen, które nie
zawierają CO2.
zastosowanie: wojskowe, eksploracja kosmosu
Reakcja na anodzie: 2H2O 4H+ + 4e- + O2
Reakcje na katodzie: 4H+ + 4e- 2H2
Reakcje sumaryczne 2H2O 2H2 + 2O2
Ogniwo paliwowe PEM (PEMFC  ogniwo paliwowe z elektrolitem z membrany
polimerowej)
Elektrolitem w ogniwie paliwowym PEMFC jest membrana polimerowa przewodzącą
protony. Ogniwo PEMFC również działa w niskich temperaturach (pokojowa do 80�C).
Ogniwa te mają dobre właściwości zimnego startu i wysoką sprawność. Ponadto,
9
Pojedyncze ogniwa mogą być łatwo łączone w zespoły co umożliwia uzyskanie wyższych
napięć. Katoda jest zasilana tlenem (np. z powietrza), anoda wodorem. Jeśli wodór pochodzi
z paliw zawierających węgiel musi być dokładnie oczyszczony z CO ponieważ ten gaz
zniszczy katalizator PEMFC. Wadą ogniw paliwowych PEM jest wysoki koszt materiału
katalizatora (platyna).
Zastosowania: silniki elektryczne np. w samochodach, eksploracji kosmosu, ruchome
z
ródła zasilania, zamienniki akumulatorów, blokowe elektrownie cieplne (połączenie ciepła i
elektryczności)
Reakcja na anodzie: 2H2 4H+ + 4e-
Reakcje na katodzie: O2 + 4H+ + 4e- 2H2O
Reakcje sumaryczne 2H2+ O2 2H2O
Bezpośrednie ogniwo metanolowe (DMFC)
Bezpośrednie ogniwo metanolowe (DMFC) jest specjalnym przypadkiem PEMFC. Oba
ogniwa paliwowe mają podobną strukturę jednakże DMFC wykorzystuje metanol (CH3OH)
jako paliwo a nie wodór. Metanol może być używany w stanie ciekłym, jego wadami są
toksyczność i korozyjność, ponadto ogniwa DMFC mają niską sprawność.
Zastosowania: silniki elektryczne, ruchome z
ródła zasilania, zamienniki akumulatorów
Reakcja na anodzie: 2CH3OH + 2H2O 2CO2 + 12H+ + 12e-
Reakcje na katodzie: 3O2 + 12H+ + 12e- 6H2O
Reakcje sumaryczne 2CH3OH + 3O2 2CO2 + 4H2O
Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC)
Elektrolitem w ogniwach PAFC jest kwas fosforowy. Ogniwa pracują w zakresie
temperatur 160 - 220�C. W porównaniu z innymi typami ogniw (poza DMFC) ogniwa te mają
niską sprawność.
Zastosowania: stacjonarne z
ródła zasilania, blokowe elektrownie cieplne (połączenie
ciepła i elektryczności)
Reakcja na anodzie: 2H2 4H+ + 4e-
Reakcje na katodzie: O2 + 4H+ + 4e- 2H2O
Reakcje sumaryczne 2H2+ O2 2H2O
Ogniwa paliwowe ze stopionymi węglanami (MCFC)
Elektrolitem w MCFC są stopione węglany metali alkalicznych utrzymywane w siatce
ceramicznej tlenków litu i glinu. Ogniwa te mają wysoką temperaturę pracy (600-700�C) i
wysoką sprawność . Mogą one być zasilane nie tylko wodorom lecz również gazem ziemnym
i biogazem.
10
Zastosowania: blokowe elektrownie cieplne (połączenie ciepła i elektryczności),
elektrownie zawodowe.
Reakcja na anodzie: 2H2 +2CO32- 2H2O + 2CO2 4e-
Reakcje na katodzie: O2 + 2CO2+ 4e- 2CO32-
Reakcje sumaryczne 2H2+ O2 2H2O
Ogniwa paliwowe z zestalonym elektrolitem tlenkowym (SOFC)
Elektrolitem w tym ogniwie jest stały tlenek metalu, zwykle tlenek cyrkony stabilizowany
itrem (ZrO2). Są to ogniwa wysokotemperaturowe. Mogą one być zasilane wodorem, ale
również innymi gazami włączając gaz ziemny i biogaz.
Zastosowania: blokowe elektrownie cieplne (połączenie ciepła i elektryczności),
elektrownie zawodowe, a także wytwarzanie energii elektrycznej w domu.
Reakcja na anodzie: 2H2 + 2O2-Z� 2H2O + 4e-
Reakcje na katodzie: O2 + 4e- Z� 2O2-
Reakcje sumaryczne 2H2+ O2Z� 2H2O
1.7. Ogniwa paliwowe PEM
Ogniwa paliwowe PEM przekształcają energię chemiczną w energię elektryczną z
wysoką sprawnością, przy nikim hałasie i bez emisji zanieczyszczeń. Elektrolitem jest cienka
polimerowa membrana przewodząca protony. Membrana jest obustronnie pokryta
katalizatorem. Katalizator tworzy elektrody ogniwa paliwowego  katodę i anodę. Pojedyncze
cele są połączone w baterie, tak aby mogły spełniać wymagania co do prądu i napięcia
(rozdział 1.8). Wysoka sprawność, dobre parametry zimnego startu powodują, że te ogniwa
są odpowiednie do szerokiego zakresu zastosowań takich jak napędy elektryczne w
samochodach (rozdz.1.11), zastępowanie 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) są
oddzielone przez elektrolit (żółty)  membranę polimerową przewodzącą 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 przemieszczają się na stronę katodową, ale różnymi drogami.
Jony H+ przechodzą przez membranę polimerową przewodzącą protony, elektrony
przepływają przez zewnętrzny obwód tworząc prąd zewnętrzny ogniwa. Na katodzie protony
i elektrony ostatecznie reagują z tlenem dając wodę, jedyny produkt uboczny ogniwa
paliwowego.
11
Reakcja na anodzie: 2H2 Z� 4H+ + 4e-
Reakcje na katodzie: O2 + 4H+ + 4e- Z� 2H2O
Reakcje sumaryczne 2H2+ O2Z� 2H2O
1.8. Bateria ogniw paliwowych
W celu otrzymania odpowiedniego napięcia należy połączyć szereg ogniw
paliwowych w baterię.
Rysunek 14 przedstawia baterię składającą się z trzech ogniw paliwowych. Przylegające
ogniwa są oddzielone od siebie płytami separującymi (na rysunku szare z pionowymi i
poziomymi rowkami). Płyty separujące mają za zadanie: 1) zapewnić połączenie elektryczne
sąsiadujących ogniw, 2) umożliwić dostarczenie i odbiór gazu, 3) odprowadzić wydzielające
się w ogniwie ciepło, 4) uszczelnić przylegające ogniwa i uniemożliwić ucieczkę paliwa i
utleniacza. Na rysunku nie pokazano połączeń elektrycznych, kanały transportujące gaz są
pokazano jako poziome (wodór) i pionowe (dostarczanie tlenu i odbiór wody) rowki.
Specjalne płyty końcowe są umieszczone na końcach baterii. Mają one łączniki elektryczne
do zewnętrznego obwodu a także króćce do dostarczania gazu i ewentualnie chłodziwa. W
zależności od mocy baterii i związanego z tym wydzielania ciepła chłodzenie może być
powietrzne albo wodne.
Napięcie wyjściowe baterii można regulować dobierając odpowiednią ilość ogniw
połączonych szeregowo.
1.9. Bezpośrednie metanolowe ogniwo paliwowe
Bezpośrednie metanolowe ogniwo paliwowe jest specjalnym przypadkiem ogniwa
PEM. DMFC i PEMFC mają podobną budowę, dwie elektrody są odseparowane przez
elektrolit którym jest polimerowa membrana przewodząca jony wodorowe,
nieprzenikliwa dla elektronów.
Różnica pomiędzy DMFC i PEMFC polega na tym ,że w DMFC paliwem jest metanol
(CH3OH) a nie wodór. Przy ciśnieniu otoczenia (101,3 kPa) metanol jest ciekły w
temperaturach od -97�C do 64�C. Dlatego główną zaletą DMFC jest to, że paliwo może być
składowane i transportowane podobnie jak inne paliwa ciekłe. Z drugiej strony metanol jest
trujący i powoduje korozję a te ogniwa mają niską sprawność w porównaniu z innymi
ogniwami paliwowymi. Zastosowanie: silniki elektryczne, przenośne z
ródła zasilania
zmiennik akumulatorów.
Jak pracuje DMFC
12
Rysunek 15 przedstawia schemat DMFC. Elektrolit (PEM) ma kolorżółty, elektrody są
niebieskie (anoda z lewej , katoda z prawej). Do anody jest doprowadzany jest wodny
roztwór metanolu. Dzięki katalitycznemu działaniu elektrod wodór jest oddzielany od
roztworu i redukowany do jonów H+, uwalniając elektrony do anody. Jony wodoru i elektrody
przemieszczają się do katody  jony wodoru przez membranę przewodzącą jony a elektrony
przez zewnętrzny obwód elektryczny, tworząc użytkowy prąd.
Na anodzie tlen i węgiel z metanolu reagują z tlenem z wody i tworzą CO2.
Na katodzie jony wodoru które przeszły przez membranę i elektrony z zewnętrznego
obwodu reagują z dostarczanym tlenem i tworzą wodę.
Reakcja na anodzie: 2CH3OH + H2O Z� 2CO2 + 12H+ + 12e-
Reakcje na katodzie: 3O2 + 12H+ + 12e- Z� 6H2O
Reakcje sumaryczne 2CH3OH + 3O2Z� 2CO2 + 4H2O
1.10. Zastosowania przenośne
Ogniwa paliwowe do przenośnych zastosowań:
Do zastosowań przenośnych ogniwa paliwowe są zamiennikami typowych baterii. Ich
główną zaletą jest to ,że w przeciwieństwie do zwykłych baterii one się nie rozładowują.
Baterie są urządzeniami do magazynowania energii elektrycznej, ilość energii które mogą
oddać zależy od ilości reagentów zawartych w baterii. Po zużyciu reagentów bateria musi
być albo naładowana (akumulator) lub wyrzucona. Ogniwa paliwowe są urządzeniami
przetwarzającymi energię dostarczanego z zewnątrz paliwa. Wytwarzają one energię
elektryczną tak długo jak długo paliwo jest dostarczane.
Zakres możliwych zastosowań jest bardzo szeroki. Obejmuje on dostarczanie energii
elektrycznej dla różnych urządzeń o małej mocy np.: laptopy, urządzenia pomiarowe,
wyposażenie kempingowe.
Niskotemperaturowe ogniwa PEMFC i DMFC są najbardziej odpowiednie dla
przenośnych urządzeń małej mocy ponieważ pracują one w niskich temperaturach, pracują
niezwłocznie po starcie (nie wymagają rozgrzewania) i mogą mieć kompaktową budowę.
Jedynym produkte, ubocznym PEMFC jest woda, podczas gdy DMFC produkuje
również małe ilości CO2.
1.11. Zastosowania ruchome
Ogniwa paliwowe do ruchomych zastosowań:
Zastosowania ruchome są zdominowane przez ogniwa PEM. Ze względu na niską
temperaturę pracy ogniwa PEMFC może dostarczać energię elektryczną bezpośrednio po
starcie. Jest to szczególnie ważne dla zastosowań w samochodach.
Zapotrzebowanie mocy w samochodach mieści się w zakresie od kilku kW do setek kW.
13
Małe łodzie wymagają kilku kW, większe nawet setek KW do napędu i do zasilania
urządzeń pokładowych a także w systemach zasilania awaryjnego.
Dzięki budowie modułowej ogniwa paliwowe mogą spełnić najbardziej różnorodne
wymagania.
Samochód HydrGen3 zbudowany przez Opla ma baterię ogniw paliwowych złożonż z
200 ogniw połączonych szeregowo. Ponieważ w ogniwach nie ma ruchomych części,
przetwarzanie energii odbywa się bez hałasu i zużycia.
Istnieją również inne koncepcje wykorzystania wodoru do napędzania samochodów.
Jedną 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 bezpośredni w
samochodzie.
1.12. Zastosowania stacjonarne
Ogniwa paliwowe do zastosowań stacjonarnych
Zastosowania stacjonarne rozciągają się od wytwarzania energii elektrycznej i ciepła dla
pojedynczych mieszkań (moc od 2 kW) do zaopatrywania w energię cieplną i elektryczną
całych obszarów (moc w zakresie MW).
Pierwszy pilotażowy projekt domowego zaopatrzenia w energię już został wdrożony ,
np. przy wykorzystaniu baterii ogniw paliwowych PEM firmy Vaillant i baterii Hexis SOFC
firmy Sulzer.
Kompletny system generacji energii składa się nie tylko z baterii ogniw paliwowych , lecz
również z wielu innych składników:
" Systemy kondycjonowania gazu: jeśli paliwo dla ogniw paliwowych ma
nieodpowiednią jakość, musi być kondycjonowane. Ten proces może obejmować
reformowanie i czyszczenie CO, odsiarczanie i usuwanie nadmiernej ilości tlenu.
" Wymienniki ciepła: służą do przekazywania wytwarzanego ciepła na zewnątr.
" Inne składniki generujące energię: w zależności od potrzeb mogą to być turbiny
rozprężne, turbiny gazowe albo kombinowane turbiny gazowe i parowe.
" Rurociągi, pompy i kondensatory wymagane do obsługi gazu i ciepła
" Połączenia elektryczne między składnikami systemu a także układy kontrolne i
pomiarowe
" Przekształtniki i transformatory do przekształcania i transformacji napięcia stałego
baterii w napięcie przemienne.
14
Przykładowe eksperymenty
15
2.1. Charakterystyka prądowo-napięciowa, krzywa mocy i sprawność
modułu słonecznego
Przed rozpoczęciem eksperymentu należy przeczytać zasady bezpieczeństwa w
Instrukcji obsługi!
Podstawy:
Sprawność modułu słonecznego jest to stosunek produkowanej energii
elektrycznej do energii słonecznej padającej na ogniwo. Charakterystyki napięciowo
prądowe i krzywa mocy pozwalają na wyznaczenie punktu mocy maksymalnej (MPP-
maximum power point).
Pout
� =
Pin
Gdzie:
� sprawność
Pout moc oddawana przez moduł
Pin moc promieniowania padającego na moduł
Aparatura:
" Moduł słoneczny
" y
ródło światła do oświetlenia modułu
" Woltomierz o zakresie 20 V
" Amperomierz o zakresie 20 A ?
" Opornik dekadowy
" Miernik mocy promieniowania świetlnego
Schemat układu pomiarowego
opornik
dekadowy
V
Moduł
słoneczny
Rys. 2.1. Schemat obwodu do wyznaczania charakterystyki modułu słonecznego.
16
Wykonanie pomiaru
Połącz obwód zgodnie ze schematem na rys 2.1. Skieruj światło na moduł słoneczny
pod kątem 90� do jego powierzchni. Odczekaj 1 min. aby uniknąć błędów
spowodowanych fluktuacjami temperatury. Rozpocznij pomiary od obwodu otwartego,
następnie wykonuj pomiary napięcia i prądu zmniejszając rezystancję opornika
dekadowego. Każdorazowo po zmianie rezystancji odczekaj 20sekund.
Przykładowe wyniki pomiarów i obliczeń:
U [V] I[A] P [W]
R[&!]
P=UxI
" 1,95 0,00 0,000
330 1,94 0,01 0,019
100 1,93 0,02 0,039
33 1,91 0,05 0,96
10 1,83 1,17 0,311
3,3 0,71 1,18 0,128
1 0,22 1,18 0,040
0,33 0,17 1,18 0,031
0,1 0,04 1,18 0,007
0 0,02 1,18 0,004
Tabela 2.1. Wyniki pomiarów Solar Module Junior i oświetlenia h-tec SWpotlight 75W w
odległości 50 cm od panelu.
Analiza
Wykonaj wykres zależności I (U)
I[A]
0,2
MPP
0,18
0,16
0,14
0,12
P = V*I
0,1 I[A]
0,08
0,06
0,04
0,02
0
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Vmpp
Wyjres 2.1.a Charakterystyka prądowo-napięciowa modułu słonecznego
17
Wykonaj wykres P (U)
0,35
MPP
Pmax
0,3
0,25
0,2
P[W]
0,15
0,1
0,05
0
0 0,5 1 1,5 2 2,5
U [V]
Wykres 2.1.b Krzywa mocy panelu słonecznego
Punkt maksymalnej mocy (MPP) jest maximum krzywej mocy.
MPP może być również wyznaczony z charakterystyki prądowo-napięciowej jako
prostokąt o maksymalnym polu powierzchni oparty na osiach współrzędnych i
wierzchołku należącym do krzywej.
Sprawność modułów słonecznych
Aby wyznaczyć sprawność modułu słonecznego musimy znać wartość mocy
promieniowania słonecznego padającego na moduł Pin i jego moc elektryczną (w tym
przykładzie 0,318 W)
A) wykorzystaj przyrząd opisany wyżej do zmierzenia mocy promieniowania świetlnego
padającego na jednostkę powierzchni modułu. Tę wartość należy pomnożyć przez
efektywną powierzchnię modułu aby wyznaczyć moc Pin.
Sprawność można wyznaczyć ze wzoru
Pout
� =
Pin
B) Jeśli taki przyrząd nie jest dostępny, do pomiaru mocy promieniowania można
wykorzystać multimetr. Metoda ta opiera się na tym, że prąd zwarciowy modułu jest
proporcjonalny do ilości fotonów padających na ogniwo, a więc i do mocy
promieniowania świetlnego.
Napięcie biegu jałowego zależy od materiału fotoogniwa, a nie od jego oświetlenia,
więc nie może być wykorzystane w tym pomiarze.
18
P [W]
Aby wyznaczyć moc promieniowania należy pomnożyć wartość prądu zwarcia ogniwa
przez współczynnik F. Ten współczynnik jest zależny od wartości maksymalnej prądu
zwarcia ogniwa.
Wartość maksymalną prądu zwarcia fotoogniwa podaje wytwórca dla mocy
promieniowania 1000 W/m2. Dla badanego ogniwa wynosi on 350 mA. Stąd:
W
1000
m2 = 2,86 W
F =
350mA m2mA
Dla wyznaczenia mocy promieniowania padającego na moduł, należy pomnożyć prąd
przez współczynnik F i powierzchnię modułu.
Przykład:
Powierzchnia ogniw paliwowych: A=5*10-3 m2, cztery ogniwa (25mmx 50mm)
Prąd zwarcia: Is = 180 mA
W
Pin = F �" Is �" A = 2,86 �"180mA�" 5 �"10-3 = 2,57W
m2mA
Maksymalna moc elektryczna (MPP) modułu słonecznego wynosi 0,311W przy mocy
promieniowania padającego 2,57 W. Stąd można wyznaczyć sprawność
Pout 0,311
� = = = 0,121 = 12%
Pin 2,57
Dyskusja
Punkt mocy maksymalnej (MPP) można odczytać z wykresu mocy w prosty sposób. N
charakterystyce napięciowo-prądowej MPP wyznacza prostokąt o maksymalnym polu
zawarty między osiami współrzędnych i krzywą. Rezystancję ogniwa RMPP w punkcie
MPP określa wzór:
VMPP
RMPP =
IMPP
Sprawności polikrystalicznych fotoogniw mieszczą się pomiędzy 13 a 15%.
Wyznaczona wartość 12% jest nieco mniejsza. Jest to spowodowane błędami
pomiarowymi i niedokładnościami przy wyznaczaniu mocy promieniowania padającego.
Ponadto, sprawność modułu jest mniejsza niż sprawności poszczególnych fotoogniw.
Jest to spowodowane przez straty wywołane niejednakowymi charakterystykami
poszczególnych ogniw i związanym z tym ich niedopasowaniem. Poszczególne ogniwa
modułu nie mają takich samych punktów mocy maksymalnej.
Gdzie powstają straty w ogniwach paliwowych? Nie wszystkie fotony padające na
ogniwo mogą być przekształcone w ładunki elektryczne. Część z nich odbija się od
powierzchni ogniwa i od metalowych połączeń elektrycznych. Ponieważ energia
fotonów nie odpowiada energii bariery, ponad połowa energii jest tracona. Ponadto
19
straty powstają na skutek rekombinacji ładunków i jako straty elektryczne
spowodowane rezystancją materiałów ogniwa (półprzewodnika i styków elektrycznych).
2.2. Charakterystyka prądowo-napięciowa elektrolizera PEM
przed rozpoczęciem eksperymentów należy zapoznać się z zasadami bezpieczeństwa
zawartymi w instrukcji obsługi.
Podstawy:
Elektrolizer PEM rozdziela wodę na wodór i tlen.
Napięcie zasilające elektrolizer musi przekraczać wartość progową, napięcie
dekompozycji. Poniżej tego napięcia rozdzielanie wody nie zachodzi. Celem
poniższego eksperymentu jest wyznaczenie tej wartości.
Aparatura
" Elektrolizer PEM
" 2 mierniki (woltomierz i amperomierz
" z
ródło napięcia
a) regulowane z
ródło naięcia
b) Alternatywnie: nieregulowane z
ródło napięcia np. moduł słoneczny, w tym
przypadku niezbędne jest z
ródło światła i opornik dekadowy lub wyskalowany
potencjometr
Wykonanie ćwiczenia
a) Przyłącz elektrolizer do regulowanego z
ródła napięcia zgodnie ze schematem
2.2a. Początkowo napięci musi być ustawione na 0V, należy je stopniowo zwiększać
do 2 V dla pojedynczego elektrolizera. Dla szeregowej baterii elektrolizerów napięcie
końcowe powinno być wielokrotnością 2V.
Regulowane
z
ródło napięcia
elektrolizer
V
Schemat obwodu 2.2.a do wyznaczania charakterystyki prądowo-napięciowej
elektrolizera przy wykorzystaniu regulowanego z
ródła napięcia.
20
b) Połącz urządzenia według schematu 2.2.b
Nieregulowane
z
ródło napięcia
opornik
elektrolizer
dekadowy
V
Schemat obwodu 2.2.b do wyznaczania charakterystyki prądowo-napięciowej
elektrolizera przy wykorzystaniu nieregulowanego z
ródła napięcia.
Procedury i dane
Uruchom aparaturę zgodnie z instrukcją obsługi.
a) Zwiększaj napięcie z
ródła ze skokiem 0,1V od 0 d0 2V DC, i zapisuj każdorazowo
wartość napięcia i odpowiadającego prądu w tablicy. Odczekaj 20 sekund pomiędzy
każdym pomiarem aby uzyskać reprezentatywne wartości. Zwróć uwagę na
rozpoczęcie produkcji gazu i zaznacz odpowiadające wartości prądu i napięcia.
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
Tabela 2.2a Wyniki pomiarów
1,7 0,78
Elektrolizer PEM zaczyna wytwarzać wodór i tlen po
1,8 1,21
przekroczeniu pewnej wartości napięcia. Od tej wartości
1.9 1,73
prąd rośnie wraz ze wzrostem napięcia.
2,0 2,16
21
b) W przypadku nieregulowanego z
ródła napięcia stopniowo zwiększaj wartość
rezystancji opornika dekadowego zapisując za każdym razem wartość napięcia i prądu
w tablicy. (maksymalne napięcie 2 V DC! Dla baterii elektrolizerów napięcie
maksymalne jest iloczynem ilości celi i 2 V. Pomiary przeprowadzaj jak w punkcie a).
Analiza
Na podstawie przeprowadzonych pomiarów wykonaj wykres prądu w funkcji napięcia.
Uzyskana krzywa jest charakterystyką prądowo-napięciową elektrolizera, która może być
aproksymowana przez dwie przecinające się linie proste. Narysuj te linie i zaznacz punkt
ich przecięcia z osią napięcia. Ten punkt wyznacza praktycznie napięcie rozkładu wody
(schemat 2.2a)
U[V]
Vd=1,5V
Wykres 2.2.a Charakterystyka prądowo-napięciowa elektrolizera
Dyskusja
Zależność między prądem i napięciem jest przedstawiona na wykresie 2.2.a.
Krzywa wykazuje, że prąd zaczyna płynąć przez elektrolizer od pewnej wartości
przyłożonego napięcia. Rozkład wody na wodór i tlen następuje tylko wtedy gdy przez
elektrolizer płynie prąd. W naszym przykładzie ten proces zachodzi przy napiściu
większym niż 1,5V (patrz tablica 2.2.a).
Napięcie rozkładu jest wyznaczone przez punkt przecięcia osi napięcia i prostej
przybliżającej stromą część charakterystyki.
Teoretyczne napięcie rozkładu wynosi 1,23V. Poniżej tej wartości rozkład nie zachodzi.
Jednakże w praktyce to napięcie jest wyższe z powodu rezystancji przejściowych.
Różnica między wartością teoretyczną i rzeczywistą tego napięcia zależy od wielu
czynników, np. od typu i składu materiału elektrod, elektrolitu i temperatury.
22
2.3. Sprawność energetyczna i sprawność Faradaya elektrolizera PEM
Przed rozpoczęciem eksperymentu należy zapoznać się z zasadami bezpieczeństwa i
Instrukcją Obsługi
Aparatura
" elektrolizer PEM
" wyskalowany zbiornik wodoru do celów eksperymentalnych
" woltomierz i amperomierz
" stoper
" z
ródło napięcia
a) regulowane
b) alternatywnie: nieregulowane np.: moduł słoneczny ze z
ródłem światła
Wykonanie ćwiczenia
a) ze z
ródłem regulowanym: Podłącz elektrolizer do z
ródła napięcia jak na
schemacie 2.3.a. Napięcie musi być większe od 1,5 VDC lecz mniejsze od 2V.
Dla baterii elektrolizerów to napięcie będzie wielokrotnością (równą ilości
pojedynczych elektrolizerów w tej baterii) tego napięcia .
Regulowane
z
ródło napięcia
elektrolizer
V
Schemat obwodu 2.3.a: układ do wyznaczania sprawności energetycznej i sprawności
Faradaya elektrolizera z regulowanym z
ródłem napięcia
b) ze z
ródłem nieregulowanym: Podłącz elektrolizer do modułu słonecznego i oświetl
go. To da napięcie pomiędzy 1,5 V i 2V.
Procedury i dane
Uruchom aparaturę tak jak to opisano w Instrukcji Obsługi.
Przed rozpoczęciem pomiarów elektrolizer powinien kilka minut pracować. Wyłącz
napięcie i otwórz zawory wylotowe gazów aby opróżnić elektrolizer. Po usunięciu gazów
napełnij elektrolizer wodą destylowaną. Poziom wody musi odpowiadać kresce
oznaczonej 0 cm3 na elektrolizerze, przy patrzeniu w poziomie. Zamknij teraz zawory
wylotowe gazów.
23
Rozpocznij pomiar czasu w momencie przyłączenia elektrolizera do z
ródła napięcia.
Zapisuj napięcie przyłożone do elekrtolizera i wartość prądu. Zapisuj czas, prąd i napięcie
gdy poziom wody w zbiorniczku osiąga główne znaczniki. dokonaj również pomiaru gdy
zbiornik gazu zostanie całkowicie napełniony (20 cm3 w naszym przypadku).
Przykład (dla elektrolizera h-tec Junior)
VH2 [cm3] t [s] U [V] I [A] P [W]
0 0 1,9 1,73 3,29
5 23 1,9 1,73 3,29
10 47 1,9 1,73 3,29
15 68 1,9 1,73 3,29
20 92 1,9 1,73 3,29
Tablica 2.3.a
Elektrolizer PEM wytwarza wodór i tlen jeśli przyłożone napięcie przekracza napięcie
rozkładu.
Sprawność energetyczna
Podstawy
Sprawność energetyczna �energy jest stosunkiem energii użytecznej Euz do energii
�
�
�
pobranej Epo. Energia użyteczna jest to energia chemiczna zmagazynowana w
wytworzonym wodorze, energia pobrana jest to energia elektryczna dostarczona
elektrolizerowi.
Euz Ewodoru
�energy = =
Epo Eelektryczna
Analiza (część 1)
Wykonaj wykres objętości wyprodukowanego gazu w funkcji czasu
24
25
20
15
10
5
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Wykres 2.3.a Zależność objętości wyprodukowanego gazu od czasu
Analiza (część 2)
Obliczenie sprawności energetycznej elektrolizera.
Przykład (dla elektrolizera h-tec Junior)
Euz VH �" Hh
2
�energy = =
Epo U �" I �" t
J
2 �"10-5m3 �"12,745 �"106
m3 = 0,843 H" 84%
�energy =
1,9V �"1,73A �" 92s
gdzie
Hh ciepło spalania 1) wodoru = 12,745 x 106 J/m3
VH2 objętość wyprodukowanego wodoru w m3
U napięcie w V
I prąd w A
t czas w s
1)
Ciepło spalania (calorific value) jest definiowane jako energia wydzialona w czasie
spalania (utleniania) substancji. Uwzględnia ono energię zawartą w parze wodnej jako
ciepło kondensacji. (Ta energie nie może być wykorzystana w konwencjonalnych
systemach spalania. Definiuje się również wielkość która tego ciepła nie zawiera, jest to
wartość opałowa (heating value) która jest wykorzystywana do obliczania sprawności
systemów grzewczych, maszyn i ogniw paliwowych.)
Dyskusja
Tablica wyraz
nie wykazuje, że zużycie energii przez elektrolizer jest stałe w czasie.
Również wielkość produkcji wodoru jest stała w czasie, ponieważ jest to linowa funkcja
czasu.
25
Sprawność energetyczna elektrolizera w naszym przykładzie wynosi 84%. Oznacza to,
że 84% energii elektrycznej zużytej przez elektrolizer jest zmagazynowane w wodorze.
Straty wynikają z różnic pomiędzy teoretycznym i rzeczywistym napięciem rozkładu dla
poszczególnych elektrod, z rezystancji wewnętrznej urządzenia i ze strat dyfuzji gazów w
celach.
Sprawność Faradaya elektrolizera PEM
Podstawy
Zależność między prądem i teoretyczną objętością wytworzonego gazu można
wyznaczyć przy użyciu drugiego prawa Faradaya i równania stanu gazu
doskonałego. Sprawność Faradaya ogniwa paliwowego wyznacza się jako
stosunek wyliczonej teoretycznej objętości gazu do objętości rzeczywistej.
Analiza
Drugie prawo Faradaya ma postać:
Q = I �" t = n �" z �" F
Równanie stanu gazu idealnego ma postać:
p �"V = n �" R �"T
A
ącząc te dwa równania otrzymujemy
R �" I �"T �" t
V =
F �" p �" z
gdzie:
V Teoretyczna objętość wytworzonego gazu w m3
R uniwersalna stała gazowa 8,314 J/mol�K
p ciśnienie otoczenia w Pa (1Pa=1N/m2)
F stała Faradaya 96485 C/mol (1C=1As)
T temperatura otoczenia w K
I prąd w A
t czas w s
z liczba elektronów koniecznych do uwolnienia cząsteczki dla H2 = 2, tzn 2 mole
elektronów są potrzebne do uwolnienia 1 mola H2, dla O2 = 4
W przypadku szeregowej baterii elektrolizerów prąd płynie przez każdy z nich,
wytworzony gaz jest sumą gazów wytworzonych w poszczególnych elektrolizerach.
j
8,314 �"1,73A �" 298K �" 92s
R �" I �"T �" t
mol �" K
Voblicz = =
C
F �" p �" z
96485 �"1,013�"105 Pa �" 2
mol
Voblicz =2,02�10-5m3=20,2cm3
26
Sprawność Faradaya wyznaczamy z zależności
VH 2wytworzony
�Faradaya =
VH 2oblicz
Objętość gazu wytworzonego w doświadczeniu wynosi;
VH2wytworzony=20 cm3
Stąd sprawność Faradaya jest :
20cm3
�Faradaya = = 0,99
20,2cm3
�Faradaya = 99%
Dyskusja
Różnica pomiędzy teorią (�=100% ) i praktyką (�Faradaya=99%) wynosi 1%. Wynika ona z
dyfuzji gazów w celach. Straty dyfuzji wynikają z tego, że część gazów dyfunduje przez
membranę elektrolizera, reaguje w kontakcie z katalizatorem i tworzy wodę w
elektrolizerze.
Eksperymenty z ogniwami paliwowymi PEM
Do tych eksperymentów ogniwo paliwowe musi być dobrze nawilżone (patrz instrukcja
obsługi). Jednakże jeśli wewnątrz ogniwa jest zbyt wiele kropli, może to utrudnić gazowi
przepływ i ogniwo nie będzie mogło właściwie pracować. Dlatego proponujemy żeby:
" Rozpoczynając pracę ogniwa trzymać się ściśle Instrukcji Obsługi
" Zatrzymać pracę na chwilę wyłączając zasilanie elektrolizera i odłączając obciążenia
ogniwa paliwowego.
" Odłączyć węże doprowadzające gazy do ogniwa ze zbiorniczków, otworzyć zaciski
wentylacyjne ogniwa paliwowego i krótko ale silnie przedmuchać ogniwo (z obu
stron). To powinno usunąć krople wody z ogniwa.
" Zamknąć zaciski wentylacyjne i podłączyć węże do zbiorniczków.
2.4. Charakterystyka napięciowo-prądowa i krzywa mocy ogniwa
paliwowego PEM
Przed rozpoczęciem eksperymentu należy zapoznać się z zasadami bezpieczeństwa i
Instrukcją Obsługi
Podstawy
Ogniwo paliwowe przekształca energię chemiczną zmagazynowaną w wodorze i
tlenie bezpośrednio w energię elektryczną. Wodór i tlen są doprowadzane do ogniwa
paliwowego gdzie reagują ze sobą tworząc wodę i oddając energię elektryczną i
ciepło.
27
Moc oddawana przez ogniwo zależy od rezystancji obciążenia. Celem tego
eksperymentu jest wyznaczenie rezystancji i tym samym prądu dla optymalnej mocy.
Aparatura
" elektrolizer PEM
" woltomierz i amperomierz
" opornik dekadowy, zmienny lub wyskalowany potencjometr
" z
ródło wodoru
a) elektrolizer, w tym przypadku będą również potrzebne:
o z
ródło energii, takie jak moduł słoneczny lub zasilacz laboratoryjny
o z
ródło światła do oświetlenia modułu słonecznego
" zbiornik wodoru, np. ciśnieniowa butla z wodorem, zbiornik metalowo-wodorkowy.
Wykonanie ćwiczenia
Połącz aparaturę zgodnie ze schematem 2.4.a
opornik
dekadowy
V
Ogniwo
paliwowe
Schemat 2.4.a Schemat obwodu do wyznaczania charakterystyki prądowo-napięciowej
ogniwa paliwowego
Procedury i dane
Uruchom przyrządy zgodnie z Instrukcją Obsługi.
W przypadku ogniwa paliwowego wodorowo-powietrznego nie jest potrzebny tlen, to
znaczy, że poniższa instrukcja odnosi się tylko do wodoru.
a) Połącz elektrolizer ze z
ródłem napięcia w celu wytworzenia wodoru i tlenu. Połącz
wyjścia elektrolizera z wejściami ogniwa paliwowego (najlepiej za pośrednictwem
wyskalowanego zbiornika, jest to idealne do celów eksperymentalnych). Zamknij
wyjścia ogniwa paliwowego. Po wytworzeniu co najmniej 5 cm3 wodoru, otwórz
wyjścia ogniwa paliwowego, przedmuchaj je gazem i zamknij. Taka procedura
usuwa pozostałości gazu i musi być wykonana aby uniknąć błędów pomiarowych.
28
Żeby zapobiec zużywaniu wodoru przez ogniwo paliwowe na tym etapie, obwód
zewnętrzny ogniwa musi być otwarty (nie ma przepływu prądu).
Teraz rozpocznij produkcję wodoru. Rozpocznij zapisywanie danych do charakterystyki
prądowo-napięciowej od otwartego obwodu (R="), potem włącz opornik dekadowy i
stopniowo zmniejszaj jego rezystancję. Dla każdego obciążenia zapisuj wartości prądu i
napięcia. Aby otrzymać wartości reprezentatywne należy po każdej zmianie odczekać 20s.
Przykład (dla eksperymentalnego systemu wodorowego h-tec JuniorBasic)
U [V] I[A] P [W]
R[&!]
P=UxI
" 0,99 0,00 0,000
330 0,97 0,01 0,001
100 0,94 0,01 0,001
33 0,90 0,03 0,027
10 0,84 0,08 0,067
3,3 0,76 0,22 0,167
1 0,62 0,56 0,347
0,33 0,47 1,05 0,494
0,1 0,32 1,43 0,458
0 0,24 1,61 0,386
Tablica 2.4.a Wyniki pomiarów napięcia i prądu dla różnych rezystancji obciążenia
b) Zamknij wyjścia ogniwa paliwowego. Połącz wyjścia z
ródła wodoru do wejść
ogniwa paliwowego (patrz Instrukcję Obsługi). Otwórz wyjścia ogniwa
paliwowego, przeczyść ogniwo wodorem, potem zamknij wyjścia. To usuwa
pozostałości gazu powodujące błędy pomiarowe. Aby zapobiec zużywaniu
wodoru przez ogniwo przed pomiarami, jego obwód zewnętrzny musi być otwarty
(nie ma przepływu prądu).
Przy pomiarach charakterystyki prądowo-napięciowej ogniwa rozpocznij od pomiaru przy
otwartym obwodzie. Potem włącz opornik dekadowy i wykonując pomiary zmniejszaj
stopniowo jego rezystancję. Po każdej zmianie odczekaj 20 sekund aby uzyskać
reprezentatywny wynik.
Analiza
Wykonaj wykres charakterystyki prądowo-napięciowej.
29
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
I[A]
Wykres 2.4.a Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa paliwowego
Wykonaj wykres mocy w funkcji prądu
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
-0,1
I [A]
Wykres 2.4.b Krzywa mocy ogniwa paliwowego
Dyskusja
Z powyższej krzywej można odczytać wartość prądu dla której ogniwo paliwowe oddaje
największą moc. Ogniwo ma maksymalną moc dla prądu 1,05A co odpowiada
rezystancji obciążenia 0,33 &! (patrz tablica 2.4.a).
30
U[V]
P [W]
2.5. Sprawność energetyczna i sprawność Faradaya ogniwa paliwowego
PEM
Przed rozpoczęciem eksperymentu należy zapoznać się z zasadami bezpieczeństwa i
Instrukcją Obsługi
Aparatura
" ogniwo paliwowe PEM
" z
ródło wodoru np. elektrolizer PEM, wyskalowany zbiornik wodoru
" z
ródło napięcie, jeśli jest wykorzystywany elektrolizer np. moduł słoneczny lub
zasilacz laboratoryjny
" z
ródło światła, jeśli jest wykorzystywany moduł słoneczny
" woltomierz i amperomierz
" opornik dekadowy, zmienny lub wyskalowany potencjometr
" stoper
Wykonanie ćwiczenia
Połącz aparaturą zgodnie ze schematem 2.5.
opornik
dekadowy
V
Ogniwo
paliwowe
Schemat 2.5. Układ do wyznaczania sprawności energetycznej i Faradaya ogniwa paliwowe
Procedury i dane
Uruchom przyrządy zgodnie z Instrukcją Obsługi.
Podłącz wyjście zbiorniczka wodoru elektrolizera do wejścia ogniwa paliwowego.
Zamknij wyjście ogniwa paliwowego. Wyprodukuj ok. 20 cm3 wodoru, po czym na chwilę
otwórz wylot ogniwa paliwowego aby je przewentylować. Wyprodukuj maksymalną, możliwą
w tym układzie objętość wodoru (w tym przykładzie 20 cm3). Wyłącz zasilanie elektrolizera.
Odłącz opornik dekadowy od ogniwa paliwowego i ustaw rezystancję przy której ma być
wyznaczana sprawność. połącz opornik dekadowy z ogniwem paliwowym i rozpocznij
wykonywać pomiary.
31
Zapisuj zmierzony czas, prąd i napięcie ogniwa dla ustalonych objętości wodoru. Nie
zmieniaj rezystancji. Upewnij się, że nie ma nadmiernych fluktuacji prądu. Każde istotne
zmniejszenie wartości prądu jest prawdopodobnie wywołane pozostałościami gazu które
utrudniają działanie ogniwa paliwowego. Najprawdopodobniej nie będzie to istotnym
problemem ponieważ może to występować wtedy gdy w zbiorniczku pozostanie mała ilość
wodoru (mniej niż 5 cm3)
Przykład (dla eksperymentalnego systemu wodorowego h-tec JuniorBasic)
Zawartość t [s] U [V] I [A] P [W]
zbiorniczka
VH2 [cm3]
20 0 0,73 0,21 0,153
15 175 0,72 0,21 0,151
10 356 0,72 0,21 0,151
Wartości średnie 0,72 0,21 0,152
Sprawność energetyczna ogniwa paliwowego PEM
Podstawy
Sprawność energetyczna �energy jest stosunkiem energii użytecznej Euz do energii
�
�
�
pobranej Epo. Energia użyteczna jest to energia rozproszona w oporniku
dekadowym, podczas gdy energia pobrana jest to energia chemiczna
zmagazynowana w wytworzonym wodorze.
Euz Eelektryczna
�energy = =
Epo Ewodoru
Analiza (część 1)
Wykonaj wykres zależności zużytego wodoru od czasu.
32
20
18
16
14
12
10
0 50 100 150 200 250 300 350 400
t [s]
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Wykres 2.5.a Zależność zawartości zbiorniczka wodoru od czasu
Analiza (część 2)
Oblicz sprawność energetyczną ogniwa paliwowego.
Eelektr U �" I �" t
�energy = =
Ewodoru VH �" Hl
2
0,72V �" 0,21A�" 356s
�energy = = 0,498 H" 50%
J
10 �"10-6m3 �"10,8 �"106
m3
33
V[cm3]
gdzie:
Hl wartość opałowa 1) wodoru = 10,8 x 106 J/m3
VH2 objętość zużytego wodoru w m3
U napięcie w V
I prąd w A
t czas w s
1)
Ciepło spalania (calorific value) jest definiowane jako energia wydzielona w czasie
spalania (utleniania) substancji. Uwzględnia ono energię zawartą w parze wodnej jako ciepło
kondensacji. (Ta energie nie może być wykorzystana w konwencjonalnych systemach
spalania. Definiuje się również wielkość która tego ciepła nie zawiera, jest to wartość
opałowa (heating value) która jest wykorzystywana do obliczania sprawności systemów
grzewczych, maszyn i ogniw paliwowych.)
Dyskusja
Z tablicy i z wykresu wyraz
nie widać, że moc elektryczna ogniwa paliwowego a także
zużycie wodoru w czasie są w przybliżeniu stałe.
Sprawność energetyczna ogniwa paliwowego w naszym przypadku wynosi 50% to
znaczy, że 50% energii zgromadzonej w wodorze zostało przetworzone na energię
elektryczną. Ogniwo paliwowe wytwarza również ciepło. Jeśli nie zostanie wykorzystane ono,
to należy je uważać za stratę energii. Do obliczeń idealnej sprawności �id 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.
"G
�id =
"H
Uwolnione w czasie reakcji ciepło jest różnicą pomiędzy wolną entalpią reakcji "G i
entalpią reakcji "H
Q = T �" "S
"H = "G + T �" "S
J
�ł-162,985 �ł
298K �"
�ł �ł
"G "H - T �" "S T �" "S
Kmol
�ł łł
�id = = = 1- = 1-
J
"H "H "H
- 285840
mol
�id = 0,83 = 83%
gdzie:
T temperatura =298K
"S. entropia reakcji = -162,985 J/kmol
"H entalpia reakcji = -285840 J/mol
34
Straty napięcia które również przetwarzają się na ciepło dodatkowo obniżają sprawność.
Te straty i straty spowodowane rezystancją wewnętrzną ogniwa a także stratami dyfuzyjnymi
w ogniwie są przyczyną tego, że napięcie wyjściowe ogniwa nie osiąga idealnej wartości
1,23V.
Podobnie jak w elektrolizerze, sprawność ogniwa paliwowego silnie zależy od mocy.
Jeśli obciążenie ma dużą rezystancję elektryczną to chociaż ogniwo paliwowe ma wysoką
sprawność to pracuje ono przy tylko częściowym obciążeniu. Moc oddawana jest z tego
powodu mniejsza niż ogniwo mogłoby wytwarzać.
W celu określenia rezystancji obciążenia przy której moc oddawana przez ogniwo jest
największa, ten eksperyment może być powtórzony przy różnych rezystancjach (zalecane 10
do 0,1 &!).
Sprawność Faradaya ogniwa paliwowego Pem
Podstawy
Zależność między prądem i teoretyczną objętością zużytego gazu można
wyznaczyć przy użyciu drugiego prawa Faradaya i równania stanu gazu
doskonałego. Sprawność Faradaya ogniwa paliwowego wyznacza się jako
stosunek wyliczonej teoretycznej objętości gazu do objętości rzeczywistej.
Analiza
Drugie prawo Faradaya ma postać:
Q = I �" t = n �" z �" F
Równanie stanu gazu idealnego ma postać:
p �"V = n �" R �"T
A
ącząc te dwa równania otrzymujemy
R �" I �"T �" t
V =
F �" p �" z
Gdzie:
V Teoretyczna objętość wytworzonego gazu w m3
R uniwersalna stała gazowa 8,314 J/mol�K
p ciśnienie otoczenia w Pa (1Pa=1N/m2)
F stała Faradaya 96485 C/mol (1C=1As)
T temperatura otoczenia w K
I prąd w A
t czas w s
z liczba elektronów koniecznych do uwolnienia cząsteczki dla H2 = 2, tzn 2 mole
elektronów są potrzebne do uwolnienia 1 mola H2, dla O2 = 4
35
W przypadku szeregowej baterii elektrolizerów prąd płynie przez każdy z nich,
wytworzony gaz jest sumą gazów wytworzonych w poszczególnych elektrolizerach.
Sprawność Faradaya wyznaczamy z relacji
VH 2obliczone
�Faradaya =
VH 2zużuży
Przykład (dla eksperymentalnego systemu wodorowego h-tec JuniorBasic)
VH2(zużyte) =10cm3
j
8,314 �" 0,21A �" 298K �" 356s
R �" I �"T �" t
mol �" K
VH 2oblicz = =
C
F �" p �" z
96485 �"1,013�"105 Pa �" 2
mol
VH2(oblicz) =9,48*10-6 m3=9,48 cm3
9,48cm3
�Faradaya = = 0,948 H" 95%
10cm3
Dyskusja
Objętość gazu rzeczywiście zużyta jest nieco większa od obliczeniowej. Powodem tego
są straty dyfuzyjne podobne do tych jakie występowały w elektrolizerze.
Zgodnie z wynikami pomiarów sprawność Faradaya jest nieco niższa od tej sprawności
w przypadku elektrolizera. Przyczyną tej różnicy jest mniejszy prąd płynący przez ogniwo.
Według Faradaya, powodem jest to, że więcej czasu potrzeba na utworzenie wody niż na jej
rozbicie. W dłuższym czasie więcej wodoru dyfunduje przez membranę i jest tracone
bezużytecznie.
2.6. Charakterystyki prądowo napięciowe bezpośredniego ogniwa
metanolowego (DMFC)
Przed rozpoczęciem eksperymentu należy zapoznać się z zasadami bezpieczeństwa i
Instrukcją Obsługi
Ostrzeżenie: Metanol jest trujący
Podstawy
Moc oddawana przez DMFC zależy od rezystancji obciążenia. Należy wyznaczyć
rezystancję przy której moc jest maksymalna.
Aparatura
" bezpośrednie metanolowe ogniwo paliwowe
" roztwór metanolu (<3%)
" woltomierz i amperomierz
36
" opornik dekadowy, zmienny lub wyskalowany potencjometr
Wykonanie ćwiczenia
Połącz przyrządy zgodnie ze schematem 2.6.
opornik
dekadowy
Bezpośrednie
metanolowe
V
ogniwo
paliwowe
Schemat 2.6. Obwód do wyznaczania charakterystyki pradowo-napięciowej bezpośredniego
metanolowego ogniwa paliwowego DMFC
Procedury i dane
Przed rozpoczęciem pomiarów ogniwo DMFC musi odstać kilka minut z roztworem
metanolu aby osiągnęło stan ustalony i wyniki były reprezentatywne.
Wykonywanie pomiarów należy rozpocząć od otwartego obwodu następnie należy
stopniowo zmniejszać rezystancję opornika dekadowego. Po każdej zmianie należy
odczekać 20 s przed wykonaniem pomiaru, aby wskazania się ustaliły.
Przykład (przy wykorzystaniu ogniwa Premium DMFC)
U [V] I[A] P [mW]
R[&!]
P=UxI
" 0,60 0,00 0,0
330 0,60 0,00 0,0
100 0,59 0,01 5,9
33 0,57 0,02 11,4
10 0,50 0,05 25,0
3,3 0,41 0,12 49,2
1 0,28 0,26 72,8
0,33 0,18 0,38 68,4
0,1 0,10 0,50 50,0
0 0,06 0,54 32,4
Tablica 2.6. Pomiary napięcia i prądu a zależności od rezystancji obciążenia.
Analiza
Wykorzystując wyniki pomiarów wykonaj wykres napięcia w funkcji prądu.
37
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
I [A]
Wykres 2.6.a. Charakterystyka prądowo-napięciowa bezpośredniego metanolowego ogniwa
paliwowego
Wykonaj wykres mocy ogniwa w funkcji prądu
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
I [A]
Wykres 2.6.b Krzywa mocy bezpośredniego ogniwa metanolowego
Dyskusja
38
U [V]
P [mW]
Jak widać na wykresach 2.6.a i 2.6.b moc bezpośredniego ogniwa metanolowego zależy
od rezystancji obciążenia (napięcia ogniwa i prądu).
Wartość prądu dla której ogniwo oddaje maksymalną moc elektryczną można odczytać z
wykresu. Wynosi ona 0,29A, co odpowiada rezystancji obciążenia około 1 &!.
39
Część 3
Arkusze ćwiczeń
Część 3 zawiera przykłady arkuszy ćwiczeń (3.2) i (3.3) dla studentów a także arkusze
do zaawansowanych badań (3.4 i 3.5). Dodatkowe informacje potrzebne w tych pracach
można znalez
ć w sekcji 3.1.
40
3.1 Informacje do pracy
3.1.1. Cykl energetyczny słoneczno-wodorowy
Nasze całkowite zasoby paliw kopalnych są ograniczone.
2250
Rok
2200
2150
Węgiel
2100
2050
Gaz
ziemny
Ropa
Uran
naftowa
2000
Rys. 3.1.1 Przewidywana dostępność paliw kopalnych i jądrowego (w oparciu o obecne
zużycie)
Niezbędne zmiany w naszym systemie zaopatrzenia w energię będą możliwe jeśli
będziemy mogli wykorzystać energię odnawialną jak na przykład słoneczną, wiatru lub wody
jako podstawową część rynku energii.
Problemem z którym się spotykamy przy wykorzystaniu ogniw słonecznych lub
elektrowni wiatrowych do produkcji energii elektrycznej polega na tym, że zapotrzebowanie
na energię elektryczną i możliwość jej produkcji nie muszą się pokrywać się w czasie. Na
przykład ogniwa słoneczne będą dostarczały energię w ciągu dnia a ta energia będzie
potrzebna do oświetlenia w nocy. Podobnie elektrownia wiatrowa będzie dostarczać energię
w czasie gdy wieje wiatr. W takich przypadkach gdy możliwości produkcji nie pokrywają się z
zapotrzebowaniem w czasie lub w miejscu, konieczna jest możliwość wygodnego
magazynowania i przesyłania energii. Taką możliwość daje wodór. Kombinacja
wykorzystania energii słonecznej do produkcji energii elektrycznej i wykorzystania wodoru
jako nośnika energii do jej magazynowania i przesyłania jest nazywana cyklem słoneczno-
41
wodorowym. W czasie gdy ogniwa słoneczne i elektrownie wiatrowe produkują więcej energii
elektrycznej niż wynosi zapotrzebowanie, zbędna energia jest wykorzystywana do produkcji
wodoru. Proces ten zachodzi w elektrolizerach, w których woda jest rozdzielana na wodór i
tlen. Wodór (i potencjalnie tlen) może być magazynowany i transportowany. Energię
elektryczną z wodoru produkuje się w ogniwach paliwowych. W czasie reakcji wodór łączy
się z tlenem. Produktami są woda, energia elektryczna i cieplna. Wykorzystanie wodoru w
tym cyklu pozwala na produkcję energii elektrycznej w dogodnym miejscu i czasie.
Energie odnawialne: co to jest i jak je wykorzystywać.
Energie odnawialne to z
ródła energii które są w sposób ciągły odnawiane w naturalnych
procesach zachodzących w ludzkiej skali czasowej. W przeciwieństwie do tego, paliwa
kopalne (węgiel, gaz ziemny, ropa naftowa) potrzebują milionów lat procesów geologicznych
do powstania. Energie odnawialne z drugiej strony są rzeczywiście niewyczerpywalne.
Do odnawialnych z
ródeł energii można zaliczyć:
Energię słoneczną
Energia słoneczna otacza nas w różnych formach i może być wykorzystana w
różnorodny sposób:
" promieniowanie słoneczne: urządzenia fotovoltaiczne, ogrzewanie słoneczne,
" ruch atmosfery: energia wiatru
" parowanie, opady: energia hydroelektryczna
" biomasa: np. biopaliwa, biogaz
Obecnie najczęściej wykorzystywanymi urządzeniami korzystającymi z energii
odnawialnej są ogniwa słoneczne, elektrownie wiatrowe i elektrownie wodne.
Energia pływów (grawitacyjne przyciąganie Słońca, Ziemi i Księżyca).
Elektrownie pływowe wykorzystują energię pływów. Woda jest magazynowana w czasie
przypływu, i wykorzystywana do produkcji energii w turbinach w czasie odpływu.
Energia geotermalna (radioaktywność i ciepło wnętrza Ziemi)
Elektrownie geotermalne wykorzystują ciepło wnętrza Ziemi.
3.1.2. Wodór
Właściwości wodoru
Wodór jest bezbarwnym, bezwonnym i nietoksycznym gazem. Wodór jest pierwiastkiem
o najprostszej budowie atomu. Najczęściej występujący izotop ma w jądrze tylko jeden
proton i nie ma neutronów, w powłoce elektronowej jest tylko jeden elektron. Rzadziej
występującymi izotopami wodoru są deuter i tryt. Deuter ma w jądrze dodatkowo jeden
neutron, a tryt dwa. Wodór jest nie tylko najmniejszym i najlżejszym pierwiastkiem, ale i
42
najczęściej występującym we wszechświecie. Na ziemi występuje tylko w związkach
chemicznych.
Właściwości wodoru
Gęstość wodoru gazowego (0�C, 101,3 kPa) 0,08988 kg/m3
Temperatura topnienia (101,3 kPa) -259�C
Temperatura wrzenia (101,3 kPa) -252,8�C
Hh ciepło spalania 12745 kJ/m3
Hl wartość opałowa 10800 kJ/m3
Wartościowość 1
Metody wytwarzania wodoru
W procesie elektrolizy, związki chemiczne są rozkładane przy pomocy prądu
elektrycznego. Na przykład elektroliza może być wykorzystana do rozkładu wody na jej
składniki  wodór i tlen.
W procesie reformingu złożone związki węglowodorowe są rozkładane.
W procesie krakingu  metody oczyszczania surowej ropy, gaz jest wytwarzany jako
produkt uboczny przy wysokim ciśnieniu i wysokiej temperaturze.
Reakcja żelaza z parą wodną w wysokich temperaturach.
W procesie produkcji gazu wodnego koks i para wodna reagują w wysokich
temperaturach, produktem jest gaz wodny.
Składowanie wodoru
Opracowanie sprawnych zbiorników na wodór jest jednym z istotnych wyzwań
związanych z stosowaniem wodoru. Czynnikami decydującymi są tu możliwości składowania
wodoru, zachowanie przy magazynowaniu, nakłady przy produkcji i koszty produkcji. Do tej
pory pojawiły się trzy główne technologie które są konsekwentnie promowane.
Składowanie sprężonego gazu
Nakłady na wytwarzanie i koszty produkcji konwencjonalnych butli na sprężone gazy są
niskie i z tego powodu jest to najlepsza metoda jeśli nie ma ograniczeń co do zajmowanej
przestrzeni i wysoki ciężar jest możliwy do zaakceptowania. Ponieważ butle na sprężone
gazy są projektowane na ciśnienie 200 bar i więc objętość składowanego w nich gazu jest
wielokrotnością ich objętości (warunki normalne). Butle są zwykle stosowane w instalacjach
stacjonarnych.
Ostatnio do budowy zbiorników na sprężone gazy stosyje się węglowe materiały
kompozytowe. Są one lżejsze niż konwencjonalne, a ponadto są projektowane na ciśnienia
aż do 350 bar (w przyszłości możliwe są ciśnienia do 700 bar).
Składowanie wodoru w postaci ciekłej
Wodór skrapla się w temperaturze -253�C. Skroplony wodór jest przechowywany w
zbiornikach kriogenicznych utrzymujących go we właściwej temperaturze (-253�C) dzięki
odpowiedniej izolacji termicznej. Przez kilka pierwszych dni po napełnieniu, wodór może być
przechowywany bez strat. Po tym okresie, z powodu rosnącej temperatury w zbiorniku wodór
43
zaczyna parować. Ze względu na konieczność odprowadzania gazowego wodoru (aby nie
dopuścić do wzrostu ciśnienie w zbiorniku) straty odparowania stają się znaczące. Przy
dzisiejszej technologii te straty wynoszą około 0,4% objętości zbiornika na dobę. Do
skroplenia wodoru konieczna jest energia równa około 1/3 energii składowanego wodoru.
Składowanie wodoru w wodorkach metali
Zbiorniki do składowania tą metodą zawierają specjalne stopy metali, które mogą
składować wodór w swojej siatce krystalicznej. Ze względu na konieczność uzyskania jak
największej powierzchni stopy są w postaci sproszkowanej. Wodór jest wprowadzany do
zbiornika pod niewielkim nadciśnieniem i reaguje ze stopem metalu tworząc wodorki. Ten
proces jest egzotermiczny, wydzielone ciepło trzeba odprowadzić ze zbiornika. Aby uwolnić
wodór z wodorku należy dostarczyć ciepło do zbiornika.
Zbiorniki z wodorkami metali mają wysoką objętościową gęstość magazynowania
wodoru, jednakże wagowa gęstość magazynowania jest niska. Obecnie są prowadzone
prace nad uzyskaniem lżejszych materiałów do magazynowania. Uzyskanie takich
materiałów pozwoli na poprawienie wagowej gęstości magazynowania wodoru.
3.1.3. Ogniwa paliwowe
Zasada działania ogniwa paliwowego jest odwrotna do działania elektrolizera. Tak jak i
elektrolizer ogniwo składa się z elektrody dodatniej, ujemnej i elektrolitu.
Typy ogniw paliwowych
Ogniwo paliwowe Elektrolit Temperatura Sprawność Paliwo
pracy elektryczna utleniacz
Alkaliczne ogniwo Roztwór wodorotlenku pokojowa do 60-70% H2
paliwowe AFC potasu (KOH) 90�C O2
ogniwo paliwowe z membrana pokojowa do 40  80 % H2
membraną umożliwiającą umożliwiającą 80�C O2, powietrze
wymianę protonów wymianę protonów
PEMFC
Bezpośrednie membrana pokojowa do 20  30% CH3OH
metanolowe ogniwo umożliwiającą 130�C O2, powietrze
paliwowe DMFC wymianę protonów
Ogniwo paliwowe z kwas fosforowym 160 - 220�C 55% Gaz ziemny, biogaz, H2
kwasem fosforowym O2, powietrze
PAFC
Ogniwo paliwowe ze Stopiona mieszanina 620 - 680�C 85% Gaz ziemny, biogaz, gaz ze
stopionymi węglanami węglanów metali zgazowania węgla, H2
MCFC alkalicznych O2, powietrze
Ogniwa paliwowe z Ceramika 800 - 1000�C 80  85% Gaz ziemny, biogaz, gaz ze
zestalonym elektrolitem przewodząca jony zgazowania węgla, H2
tlenkowym SOFC tlenu O2, powietrze
44
Ogniwo paliwowe PEM przekształca z dużą sprawnością energię chemiczną na energię
elektryczną. Elektrolitem jest cienka polimerowa membrana przewodząca jony wodoru.
Membrana jest z obu stron pokryta katalizatorem. Warstwy katalizatora tworzą anodę i
katodę. Połączone pojedyncze ogniwa tworzą baterię o napięciu które można dopasować do
wymagań dobierając odpowiednią liczbę ogniw. Możliwość uzyskania wymaganego napięcia,
wysoka sprawność i dobre właściwości zimnego startu ogniw PEM czyni te ogniwa
wygodnymi w szerokim zakresie zastosowań.
Jak pracuje ogniwo paliwowe PEM
Gazowy wodór, dzięki katalizatorowi (np. platynie), ulega jonizacji na anodzie. Jony H+
przechodzą przez membranę polimerową przewodzącą protony do katody. Jeśli zewnętrzny
obwód jest zamknięty elektrony przepływają przez niego do katody wykonując pracę. Jony
wodoru, elektrony i atomy tlenu reagują ze sobą dając wodę.
Reakcja na anodzie: 2H2 Z� 4H+ + 4e-
Reakcje na katodzie: O2 + 4H+ + 4e- Z� 2H2O
Reakcje sumaryczne 2H2+ O2Z� 2H2O
3.1.4. Elektrolizer
Elektroliza polega na rozkładzie związków chemicznych przy pomocy prądu
elektrycznego. Na przykład, elektroliza może być wykorzystana do rozkładu wody na wodór i
tlen.
W zasadzie elektrolizer składa się z
" ujemnie naładowanej katody, do której migrują jony dodatnie,
" dodatnio naładowanej anody, do której migrują jony ujemne,
" elektrolitu, materiału w którym jest możliwe przewodnictwo jonowe.
Typy elektrolizerów różnią się elektrodami i elektrolitem. Elektrolit może być ciekły lub
stały np. membrana polimerowa (Polymer Electrolyte Membrane  PEM).
Elektrolizery PEM wyróżniają się bardzo prostą i zwartą budową. Rdzeniem elektrolizera
PEM jest cienka polimerowa membrana przewodząca jony, pokryta z obu stron materiałem
katalizatora. Te dwie warstwy tworzą katodę i anodę ogniwa. Po doprowadzeniu stałego
napięcia elektrolizer rozkłada wodę na tlen i wodór. Aby ten proces mógł zachodzić, napięcie
musi przekraczać napięcie rozkładu, które dla wody wynosi 1,23V (teoretycznie). W praktyce
ten próg jest większy z powodu rezystancji styków. Elektrolizery są budowane jako baterie
szeregowo połączonych jednostek. Elsktrolizery PEM osiągają sprawność do 85%.
Jak pracuje elektrolizer PEM
45
Jeśli prąd stały płynie przez ogniwo, na anodzie molekuły wody są utleniane dając tlen,
jony wodoru i elektrony. Jony wodoru migrują przez membranę przewodzącą jony do katody,
gdzie z elektronami przepływającymi przez zewnętrzny obwód tworzą gazowy wodór.
Gazowy tlen gromadzi się na anodzie.
Reakcja na anodzie: 2H2OZ�4H+ + 4e-+ O2
Reakcje na katodzie: 4H+ + 4e- Z�2H2
Reakcje sumaryczne 2H2OZ� 2H2+ O2
Nazwa elektrolizera pochodzi od Proton Elektrolite Membrane (również Proton
Exchange Membrane). Membrana jest zbudowana z teflonu z grupami SO3H na końcach
bocznych łańcuchów. Jeśli membrana jest mokra, uzyskuje charakter kwaśny i staje się
przewodząca dla jonów wodorowych. Aniony nie mogą przechodzić przez membranę.
46
3.2. Rozwiązania arkuszy studenckich
3.2.1. Cykl energetyczny słoneczno-wodorowy
Pytanie1: Na jak długo wystarczą jeszcze zasoby energetyczne?
Przewiduje się, że zasoby naturalnego uranu, gazu ziemnego i ropy naftowej będą
jeszcze dostępne przez ponad 50 lat, węgiel prawdopodobnie przez ponad 200 lat. Należy
brać pod uwagę to, że zasoby nie wyczerpią się nagle. Zasoby będą malały do groz
nego
poziomu. Ponadto te zasoby są wykorzystywane nie tylko w energetyce, np. ropa naftowa
jest podstawowym surowcem wykorzystywanym do produkcji tworzyw sztucznych.
Pytanie2: Wymień składniki cyklu słoneczno-wodorowego
" Ogniwa słoneczne, elektrownie wiatrowe itp.
" Elektrolizer
" Zbiornik wodoru,
" Ogniwo paliwowe,
" odbiorca energii elektrycznej
Pytanie3: Jak można opisać cykl słoneczni-wodorowy?
Ogniwa słoneczne, elektrownie wiatrowe etc. przetwarzają energię słoneczną w energię
elektryczną. Ta energia nie zawsze jest wytwarzana wtedy gdy jest na nią
zapotrzebowanie. Niezbędne jest zastosowanie pośredniego składnika systemu, który
mógłby magazynować energię w czasie gdy jest jej nadmiar i oddawać gdy jej brak.
Takim elementem może w przyszłości być cykl wodorowy. W czasie gdy energii jest
nadmiar elektrolizery wytwarzałyby wodór  energia elektryczna byłaby zamieniana na
chemiczną energię wodoru. Wodór byłby magazynowany do czasu gdy
zapotrzebowanie na energię przekroczy produkcję. Wtedy energia chemiczna wodoru
byłaby przetwarzana w ogniwach paliwowych w energię elektryczną.
Pytanie4: Wymień trzy pierwotne z
ródła energii
" energia słoneczna (termojądrowa reakcja fuzji wodoru w hel)
" energia pływów (oddziaływanie grawitacyjne Ziemi, Słońca i Księżyca)
" energia geotermalna (reakcje jądrowe i ciepło jądra Ziemi)
Pytanie5: Jak są wykorzystywane trzy pierwotne z
ródła energii do produkcji
energii
Energia słoneczna
Energia słoneczna występuje pod różnymi postaciami na skutek konwersji energii:
" promieniowanie słoneczne (przetwarzanie fotowoltaiczne,, ogrzewanie słoneczne)
" energia wiatru
47
" energia wody z odparowania, opadów
" biomasa z fotosyntezy.
Ostatecznie paliwa kopalne tylko przechowują energię słoneczną. W przeciwieństwie do
paliw odnawialnych paliwa kopalne nie regenerują siwe w ludzkiej skali czasowej s
wymagają do tego milionów lat. Najczęściej wykorzystywanymi przetwornikami energii
słonecznej są obecnie ogniwa paliwowe, systemy wiatrowe i elektrownie wodne.
Energia pływów
Elektrownie pływowe wykorzystują prądy przypływów i odpływów spowodowane przez
podnoszenie się i opadanie poziomu wody.
Energia geotermiczna
Systemy geotermiczne wykorzystują ciepło skorupy ziemskiej. Temperatura wzrasta w
miarę zwiększania głębokości. W systemach geotermicznych gorąca woda jest
wykorzystywana do celów grzewczych lub do produkcji energii elektrycznej.
3.2.2. Wodór
Pytani 1: wymień 7 właściwości wodoru
1. gaz bezbarwny
2. bezwonny
3. nietoksyczny
4. temperatura topnienia pod normalnym ciśnieniem -259�C
5. temperatura wrzenia pod normalnym ciśnieniem  252,8�C
6. najprostsza budowa atomu  1 proton w jądrze i 1 elektron w powłoce
elektronowej
7. jest to najlżejszy i najmniejszy pierwiastek.
Pytanie 2: Jakie znasz izotopy wodoru?
1. atom podstawowego izotopu wodoru zawiera w jądrze 1 proton, w powłoce
elektronowej 1 elektron. Jest to najczęściej występujący izotop wodoru
1
(>99,9%) H1
2. atom deuteru zawiera w jądrze 1 proton i 1 neutron, w powłoce elektronowej 1
elektron H12
3. atom trytu zawiera w jądrze 1 proton i 2 neutrony, w powłoce elektronowej 1
3
elektron H1
Pytanie 3: Wymień sposoby wytwarzania wodoru
" elektroliza
" reforming
48
" kraking węglowodorów
" reakcja żelazo-woda
" produkcja gazu wodnego
Pytanie 4: Wymień 3 najpowszechniejsze metody magazynowania wodoru
1. gazowy w wysokociśnieniowych zbiornikach (200bar)
2. skroplony w zbiornikach kriogenicznych w temperaturze -253�C
3. w siatce krystalicznej stopów metali  w wodorkach metali.
3.2.3. Ogniwa paliwowe
Pytanie 1: Wymień główne części ogniwa paliwowego
Elektrody (anoda i katoda), elektrolit
Pytanie 2: Jakie są podstawowe różnice pomiędzy ogniwami paliwowymi
Rodzaj elektrolitu i temperatura pracy
Pytanie 3:Wymień typy ogniw paliwowych
AFC, PEMFC, DMFC, PAFC, MCFC, SOFC
Pytanie 4: Opisz zasadę działania ogniwa paliwowego PEM
Gazowy wodór dostarczany do katody, dzięki katalitycznemu działaniu elektrody jest
rozdzielany na elektrony i jony wodoru nawet w temperaturze pokojowej. Jony wodorowe
migrują przez membranę przewodzącą jony do katody a elektrony przepływają do katody
przez zewnętrzny obwód jeśli jest zamknięty. Na katodzie jony wodorowe, elektrony i tlen z
powietrza reagują tworząc wodę.
Pytanie 5: Jaki materiał stosuje się na katalizator w ogniwie PEM
Platynę
Pytanie 6: Przedstaw reakcje chemiczne zachodzące w ogniwie PEM na anodzie,
katodzie i sumaryczne
Reakcja na anodzie: 2H2 Z� 4H+ + 4e-
Reakcje na katodzie: O2 + 4H+ + 4e- Z� 2H2O
Reakcje sumaryczne 2H2+ O2Z� 2H2O
Pytanie 7: Jakie zalety ma ogniwo PEM w stosunku do środowiska
Ma ono wysoką sprawność a jego produktem jest czysta woda.
Pytanie 8: Jaka jest maksymalna sprawność ogniwa PEM
Sprawność elektryczna ogniwa PEM wynosi około 50%. Jeśli ciepło wytwarzane przez
ogniwo zostanie wykorzystane np. do celów grzewczych, sprawność całkowita może wynieść
85%.
49
Pytanie 9: Co to jest bateria
Jest to zestaw połączonych ze sobą ogniw w celu osiągnięcia wyższego napięcia, prądu
lub mocy
Pytanie 10: W jakich dziedzinach stosuje się 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 wiązań chemicznych w cieczach pod wpływem prądy elektrycznego
Pytanie 2: Z czego składa się elektrolizer
Elektrolizer składa się z elektrod (ujemnej katody i dodatniej anody) i elektrolitu.
Pytanie 3: Jak może być otrzymywany wodór w przyszłości na dużą skalę
Przy pomocy elektrolizy w elektrolizerach PEM
Pytanie 4: Wyjaśnij co oznacza skrót PEM
PEM pochodzi od angielskiej nazwy membrany elektrolitu - Polymer Electrolyte
Membrane lub od Proton Exchange Membrane
Pytanie 5: Jaką sprawność mają elektrolizery PEM
Sprawność elektryczna elektrolizerów PEM sięga 85%
Pytanie 6: Jak pracują elektrolizery PEM?
Jeśli napięcie stałe zostanie przyłożone do anody, molekuły wody są utleniane tworząc
tlen, jony wodoru i elektrony. Jony wodoru migrują przez membranę przewodzącą jony do
katody gdzie z elektronami przepływającymi przez zewnętrzny obwód tworzą gazowy wodór.
Gazowy tlen gromadzi się na anodzie.
Pytanie 7: Przedstaw równania reakcji chemicznych występujących w
wodorowym elektrolizerze PEM a) na anodzie , b) na katodzie, c) reakcję sumaryczną
a) reakcja na anodzie: 2H2OZ�4H+ + 4e-+ O2
b) reakcje na katodzie: 4H+ + 4e- Z�2H2
c) reakcje sumaryczne 2H2OZ� 2H2+ O2
Pytanie 8: Jaką wartość ma napięcie dekompozycji wody
Napięcie dekompozycji wody wynosi 1,23V
Pytanie 9 : Wymień inne sposoby wytwarzania wodoru
Reforming, kraking, reakcja żelazo-woda, proces produkcji gazu wodnego.
50