ÿþP o l i t e c h n i k a Aó d z k a
W y d z i a B I n |y n i e r i i P r o c e s o w e j i O c h r o n y Zr o d o w i s k a
K a t e d r a I n |y n i e r i i M o l e k u l a r n e j
I n s t r u k c j a d o w i c z e D z p r z e d m i o t u :
E n e r g i a z e zr ó d e B n i e k o n w e n c j o n a l n y c h
w i c z e n i e n r 1
W y t w a r z a n i e w o d o r u w p r o c e s i e e l e k t r o l i z y w o d y
O p r a c o w a B: m g r i n |. P r z e m y s Ba w M a k o w s k i
Z a t w i e r d z i B: p r o f . d r h a b . i n |. J a c e k T y c z k o w s k i
Aó d z 2 0 1 2
2
1 . C E L W I C Z E N I A
C e l e m w i c z e n i a j e s t z a p o z n a n i e s i z p r o c e s e m e l e k t r o l i z y w o d y i b u d o w e l e k t r o l i z e r a t y p u P E M o r a z
p r z e b a d a n i e p r o c e s u w y t w a r z a n i a w o d o r u z w o d y n a e l e k t r o l i z e r z e t y p u P E M . yr ó d Be m p r d u s t a Be g o b d z i e
b a t e r i a f o t o w o l t a i c z n a o r a z z a s i l a c z o s t a By m n a p i c i u . P r z e b a d a n a z o s t a n i e s t e c h i o m e t r i a p o w s t a w a n i a w o d o r u
i t l e n u w p r o c e s i e r o z k Ba d u w o d y . S p o r z d z o n a z o s t a n i e c h a r a k t e r y s t y k a n a p i c i o w o p r d o w a e l e k t r o l i z e r a
P E M o r a z o k r e [l o n a z o s t a n i e t e o r e t y c z n a i r z e c z y w i s t a i l o [ p r o d u k o w a n e g o w o d o r u
n a e l e k t r o l i z e r z e , c z y l i t z w . w y d a j n o [ F a r a d a y a o r a z w y d a j n o [ e n e r g e t y c z n a p r o d u k o w a n e g o w t e n s p o s ó b
w o d o r u .
2 . W S T P T E O R E T Y C Z N Y
E l e k t r o l i z m o |n a z d e f i n i o w a j a k o s z e r e g r e a k c j i u t l e n i a n i a i r e d u k c j i w y w o Ba n y c h p r z e p By w e m p r d u
e l e k t r y c z n e g o p o m i d z y e l e k t r o d a m i z a n u r z o n y m i w r o z t w o r a c h e l e k t r o l i t ó w ( l u b i c h f o r m a c h s t o p i o n y c h ) .
E l e k t r o d y p o Bc z o n e s o b w o d e m z z e w n t r z n y m zr ó d Be m p r d u . E l e k t r o l i z a j e s t p r o c e s e m n i e s a m o r z u t n y m ,
w i c w y m u s z a n a j e s t p o p r z e z p r z e p By w p r d u .
E l e k t r o l i z r e a l i z u j e s i w u r z d z e n i a c h z w a n y c h e l e k t r o l i z e r a m i . K l a s y c z n e e l e k t r o l i z e r y s k Ba d a j s i
z d w ó c h e l e k t r o d p o Bc z o n y c h z e s o b p r z e w o d e m e l e k t r y c z n y m z w p i t y m w n i e g o zr ó d Be m p r d u s t a Be g o
o o k r e [l o n y m n a p i c i u p o w o d u j c y m p o w s t a n i e r ó |n i c y p o t e n c j a Bó w n a e l e k t r o d a c h . O b i e e l e k t r o d y z a n u r z a n e
s w t y m s a m y m r o z t w o r z e z a w i e r a j c y m j o n y ( z w a n y m e l e k t r o l i t e m ) , z a m y k a j c w t e n s p o s ó b o b w ó d
e l e k t r y c z n y . E l e k t r o d y n a z y w a n e s o d p o w i e d n i o k a t o d ( p o Bc z o n a j e s t o n a z u j e m n y m b i e g u n e m zr ó d Ba p r d u )
i a n o d ( p o Bc z o n a j e s t o n a z d o d a t n i m b i e g u n e m zr ó d Ba p r d u ) . R u c h e l e k t r o n ó w o d a n o d y d o k a t o d y o d b y w a
s i z e w n t r z n y m p r z e w o d e m e l e k t r y c z n y m Bc z c y m e l e k t r o d y . K a t i o n y w r o z t w o r z e p o r u s z a j s i n a t o m i a s t w
k i e r u n k u e l e k t r o d y z w a n e j k a t o d , a u j e m n i e n a Ba d o w a n e a n i o n y p r z e s u w a j s i w s t r o n d o d a t n i o n a Ba d o w a n e j
e l e k t r o d y z w a n e j a n o d . K a t o d a d o s t a r c z a e l e k t r o n y k a t i o n o m , k t ó r e p r z y Bc z a j e l e k t r o n y ( z a c h o d z i r e a k c j a
r e d u k c j i ) i p r z e c h o d z w s t a n a t o m o w y ( g a z l u b c i a Bo s t a Be ) . A n o d a o d b i e r a e l e k t r o n y o d a n i o n ó w ( z a c h o d z i
r e a k c j a u t l e n i e n i a ) , k t ó r e p r z e c h o d z r ó w n i e | w s t a n a t o m o w y l u b c z s t e c z k o w y ( g a z l u b c i a Bo s t a Be ) .
S c h e m a t y c z n i e p r o c e s e l e k t r o l i z y p r z e d s t a w i o n y z o s t a B n a r y s u n k u 1 .
W a |n c z [c i e l e k t r o l i z e r ó w j e s t r o z t w ó r e l e k t r o l i t u . R o z r ó |n i a s i e l e k t r o l i t y w Ba [c i w e i e l e k t r o l i t y
p o t e n c j a l n e . E l e k t r o l i t y w Ba [c i w e t o s u b s t a n c j e o c z s t e c z k a c h z b u d o w a n y c h z j o n ó w ( n p . N a C l , N a O H ) ,
w k t ó r y c h p o w p r o w a d z e n i u d o r o z p u s z c z a l n i k a n a s t p u j e d y s o c j a c j a w s z y s t k i c h w i z a D j o n o w y c h p o Bc z o n a
z s o l w a t a c j j o n ó w ( d y s o c j a c j a j o n o w a ) . N a t o m i a s t e l e k t r o l i t y p o t e n c j a l n e t o z w i z k i , w k t ó r y c h w y s t p u j
3
s p o l a r y z o w a n e w i z a n i a k o w a l e n c y j n e , u l e g a j c e d y s o c j a c j i n a j o n y d o p i e r o w w y n i k u c h e m i c z n e g o
o d d z i a By w a n i a z p o l a r n y m i c z s t e c z k a m i r o z p u s z c z a l n i k a ( n p . H C l , C H 3 C O O H ) .
W y d z i e l a n i e s i p r o d u k t ó w e l e k t r o l i z y m a m i e j s c e d o p i e r o w t e d y , g d y p r z y Bo |o n a r ó |n i c a p o t e n c j a Bó w
p o c h o d z c a o d z e w n t r z n e g o zr ó d Ba p r z e k r a c z a w a r t o [ z w a n n a p i c i e m r o z k Ba d o w y m U r o z k B. N a r y s u n k u 2
z o s t a Ba p r z e d s t a w i o n a z a l e |n o [ m i d z y p r z y Bo |o n y m n a p i c i e m a o t r z y m a n y m n a t |e n i e m p r d u p o d c z a s
p r o w a d z e n i a e l e k t r o l i z y .
2
1
U r o z k B
N a p i c i e U [ V ]
R y s . 2 . N a t |e n i e p r d u w f u n k c j i n a p i c i a p o d c z a s p r o c e s u e l e k t r o l i z y .
W e t a p i e p o c z t k o w y m ( e t a p 1 , r y s . 2 ) w z r o s t n a p i c i a n i e p o w o d u j e p o w s t a w a n i a p r o d u k t ó w e l e k t r o l i z y .
M a t o z w i z e k z t y m , |e k a t o d a i a n o d a p o k r y w a j s i w a r s t e w k a m i p r o d u k t ó w e l e k t r o l i z y . W y d z i e l o n e
p r o d u k t y e l e k t r o l i z y p o w o d u j p o w s t a n i e n a e l e k t r o d a c h s i By e l e k t r o m o t o r y c z n e j S E M , s k i e r o w a n e j p r z e c i w n i e
d o p r z y Bo |o n e g o n a p i c i a . D o p i e r o k i e d y p r z y Bo |o n e d o e l e k t r o d e l e k t r o l i z e r a n a p i c i e ( U r o z k B) j e s t c o n a j m n i e j
r ó w n e , a w p r a k t y c e n i e c o w i k s z e o d s i By e l e k t r o m o t o r y c z n e j u t w o r z o n e j n a e l e k t r o d a c h e l e k t r o l i z e r a ,
o b s e r w u j e m y p r o c e s e l e k t r o l i z y i s t o p n i o w y w z r o s t n a t |e n i a p r d u w r a z z e w z r o s t e m n a p i c i a p o w y |e j U r o z k B
( e t a p 2 , r y s . 2 ) . W p r a k t y c e w a r t o [ n a p i c i a r o z k Ba d o w e g o U r o z k B. p o w i k s z a n a j e s t o t z w . n a d n a p i c i a
n a e l e k t r o d a c h o r a z s p a d e k n a p i c i a z w i z a n y z o p o r e m e l e k t r o l i t u i d o p i e r o w t e d y o k r e [l a s i j e n a p i c i e m
r o z k Ba d o w y m , p r z y k t ó r y m p r o c e s e l e k t r o l i z y z a c h o d z i z o p t y m a l n p r d k o [c i . P r z y n a p i c i u r o z k Ba d o w y m
n i e p o w i k s z o n y m o n a d n a p i c i e p r o c e s e l e k t r o l i z y b d z i e z a c h o d z i B, a l e b a r d z o w o l n o . N a w a r t o [ n a d n a p i c i a
w p By w a j :
" m a t e r i a B e l e k t r o d y o r a z s t a n j e j p o w i e r z c h n i ,
" g s t o [ p r d u ,
" s k Ba d u r o z t w o r u e l e k t r o l i t u ,
" t e m p e r a t u r a .
W i e l k o [ n a p i c i a r o z k Ba d o w e g o n i e z b d n e g o d o p r z e p r o w a d z e n i a j o n ó w r ó |n y c h p i e r w i a s t k ó w w o b o j t n e
a t o m y z a l e |y o d p o Bo |e n i a p i e r w i a s t k a w s z e r e g u n a p i c i o w y m . T a w Ba [c i w o [ j e s t w y k o r z y s t y w a n a
d o e l e k t r o l i t y c z n e g o r o z d z i e l e n i a m e t a l i .
E l e k t r o l i z o p i s u j d w a p r a w a z w a n e p r a w a m i e l e k t r o l i z y F a r a d a y a .
I p r a w o : m a s a s u b s t a n c j i w y d z i e l o n e j n a e l e k t r o d z i e w w y n i k u p r o c e s u e l e k t r o l i z y j e s t w p r o s t p r o p o r c j o n a l n a
d o Ba d u n k u p r z e p By w a j c e g o p r z e z e l e k t r o l i t :
N a t |e n i e p r d u I [ m A ]
4
m = k · I · t = k · Q
g d z i e :
k - r ó w n o w a |n i k e l e k t r o c h e m i c z n y [ g / C ] ,
I - n a t |e n i e p r d u [ A ] ,
t - c z a s t r w a n i a e l e k t r o l i z y [ s ] ,
m - m a s a s u b s t a n c j i w y d z i e l o n e j n a e l e k t r o d z i e [ g ] ,
Q - Ba d u n e k e l e k t r y c z n y [ C ] .
I I p r a w o : s t o s u n e k m a s s u b s t a n c j i w y d z i e l o n y c h n a e l e k t r o d a c h p o d c z a s p r z e p By w u j e d n a k o w y c h Ba d u n k ó w
e l e k t r y c z n y c h j e s t r ó w n a s t o s u n k o w i i c h r ó w n o w a |n i k ó w e l e k t r o c h e m i c z n y c h i s t o s u n k o w i i c h m a s
r ó w n o w a |n i k o w y c h :
m 1 k 1 R 1
= =
m 2 k 2 R 2
g d z i e :
m 1 , m 2 m a s y s u b s t a n c j i w y d z i e l o n y c h n a e l e k t r o d a c h [ g ] ,
k 1 , k 2 - r ó w n o w a |n i k e l e k t r o c h e m i c z n e s u b s t a n c j i [ g / C ] ,
R 1 , R 2 m a s y r ó w n o w a |n i k o w e [ g / m o l ] .
Z p r a w F a r a d a y a m o |n a w y w n i o s k o w a , |e d o w y d z i e l e n i a j e d n e g o g r a m o r ó w n o w a |n i k a d o w o l n e j
s u b s t a n c j i p o t r z e b n y j e s t t e n s a m Ba d u n e k . Aa d u n e k t e n n o s i n a z w s t a Be j F a r a d a y a i w y n o s i
F = 9 6 4 8 5 C / m o l . W s t a w i a j c t w a r t o [ d o w z o r u z I p r a w a F a r a d a y a w m i e j s c e Ba d u n k u Q , a w m i e j s c e m a s y
m m a s j e d n e g o g r a m o r ó w n o w a |n i k a m = M / z , o t r z y m u j e s i :
M
,
k =
z F
·
z a t e m I p r a w o F a r a d a y a m o |n a z a p i s a j a k o :
M
m = Å" I · t
z · F
a z t e g o w y n i k a w z ó r :
Q = n · z · F
g d z i e :
M m a s a m o l o w a s u b s t a n c j i w y d z i e l o n e j n a e l e k t r o d z i e [ g / m o l ] ,
n l i c z b a m o l i s u b s t a n c j i w y d z i e l o n e j n a e l e k t r o d z i e [ m o l ] ,
F s t a Ba F a r a d a y a [ C / m o l ] ,
z l i c z b a e l e k t r o n ó w b i o r c a u d z i a B w r e a k c j i , w k t ó r e j p o w s t a j e 1 m o l s u b s t a n c j i o m a s i e m o l o w e j M .
W p r a k t y c e o b s e r w u j e s i w y d z i e l a n i e m n i e j s z e j m a s y p r o d u k t ó w n i | w y l i c z o n a n a p o d s t a w i e p r a w a
F a r a d a y a . P r z y c z y n a m i t e g o m o g b y :
" n i e u w z g l d n i e n i e w o b l i c z e n i a c h r e a k c j i u b o c z n y c h ( j e d n o c z e s n e w y d z i e l a n i e n a e l e k t r o d z i e d w ó c h
l u b w i c e j p r o d u k t ó w e l e k t r o l i z y ) ,
" r e a k c j e w t ó r n e p o m i d z y p r o d u k t a m i e l e k t r o l i z y a o t o c z e n i e m .
5
S t o s u n e k w y d z i e l o n e j m a s y m r o z p a t r y w a n e g o p r o d u k t u e l e k t r o l i z y d o m a s y w y l i c z o n e j z p r a w a F a r a d a y a m F
n a z y w a s i w y d a j n o [c i p r d o w e l e k t r o l i z y . W i e l k o [ t m n o |y s i p r z e z 1 0 0 % i w y r a |a w p r o c e n t a c h .
E l e k t r o l i z a j e s t p r o c e s e m s t o s o w a n y m n a s k a l p r z e m y s Bo w m . i n . d o :
" p r o d u k c j i m e t a l i : a l u m i n i u m , l i t u , s o d u , p o t a s u ,
" p r o d u k c j i r o z m a i t y c h z w i z k ó w c h e m i c z n y c h , w t y m k w a s u t r i f l u o r o o c t o w e g o , w o d o r o t l e n k u s o d u
i p o t a s u , c h l o r a n u s o d u i c h l o r a n u p o t a s u ,
" p r o d u k c j i g a z ó w : w o d o r u , c h l o r u i t l e n u ,
" g a l w a n i z a c j i - p o k r y w a n i e c i e n k w a r s t w m e t a l u i n n e g o m e t a l u .
E l e k t r o l i z a w o d y t o p r o c e s r o z k Ba d u w o d y n a w o d ó r i t l e n n a s k u t e k d z i a Ba n i a p r d u e l e k t r y c z n e g o .
Z a z w y c z a j n i e s t o s u j e s i w e l e k t r o l i z i e c z y s t e j w o d y , z e w z g l d u n a s t o s u n k o w o m a B z d o l n o [
d o p r z e w o d z e n i a p r d u ( m a Ba w a r t o [ s t o p i e n i a d y s o c j a c j i w o d y , c o p o w o d u j e m a B i l o [ j o n ó w H + i O H - i
d u |e s t r a t y e n e r g i i e l e k t r y c z n e j z w i z a n e z w y s o k i m o p o r e m ) . M o |n a u |y w a w o d n y c h r o z t w o r ó w
w o d o r o t l e n k ó w , k w a s ó w l u b s o l i , a l e w p r a k t y c e s t o s u j e s i w y Bc z n i e w o d n e r o z t w o r y t y c h p i e r w s z y c h
( w o d n e r o z t w o r y k w a s ó w p o w o d u j k o r o z j e l e k t r o d , a w o d n e r o z t w o r y s o l i m a j a n i |s z p r z e w o d n o [
w Ba [c i w ) . Z a s t o s o w a n i e w e l e k t r o l i z i e w o d y n a j c z [c i e j z n a j d u j r o z t w o r y N a O H ( 1 6 - 1 8 % ) i K O H ( 2 5 - 2 9 % ) .
N a l e |y p a m i t a , |e n i e w s z y s t k i e e l e k t r o l i t y n a d a j s i d o w y t w a r z a n i a w o d o r u .
W p r z y p a d k u e l e k t r o l i z y w o d n y c h r o z t w o r ó w o p H > 7 , n p . r o z t w o r ó w w o d n y c h N a O H , n a e l e k t r o d a c h
a p a r a t u z a c h o d z n a s t p u j c e r e a k c j e :
K a t o d a ( - ) : 4 H 2 O + 4 e - = 2 H 2 + 4 O H -
A n o d a ( + ) : 4 O H - = 4 e - + O 2 + 2 H 2 O
S u m a r y c z n i e : 2 H 2 O ’! 2 H 2 + O 2
N a k a t o d z i e p o w s t a j e w o d ó r o w y s o k i e j c z y s t o [c i . W p r z y p a d k u r o z t w o r ó w o p H < 7 zr ó d Be m p r o t o n ó w
r e d u k u j c y c h s i n a k a t o d z i e j e s t w o d a u t l e n i a j c a s i n a a n o d z i e . P o d c z a s u t l e n i a n i a w o d y n a a n o d z i e o p r ó c z
p o w s t a j c y c h p r o t o n ó w w y d z i e l a s i r ó w n i e | t l e n . P r z y p H = 7 zr ó d Be m p r o t o n ó w j e s t t a k |e w o d a u t l e n i a j c a
s i n a a n o d z i e z w y d z i e l e n i e m t l e n u . N a k a t o d z i e n a t o m i a s t w o d a j e s t r e d u k o w a n a , p o w s t a j j o n y h y d r o k s y l o w e
z j e d n o c z e s n y m w y d z i e l e n i e m w o d o r u .
T e o r e t y c z n a m i n i m a l n a w a r t o [ n a p i c i a r o z k Ba d u ( p r z y p H = 1 4 , n i e u w z g l d n i a j c n a d n a p i i s p a d k u
n a p i c i a n a e l e k t r o l i c i e ) p o t r z e b n a d o z a i n i c j o w a n i a p r o c e s u e l e k t r o l i z y w o d y w y n o s i 1 , 2 3 V . W p r a k t y c e
s t o s u j e s i w y |s z e n a p i c i a w c e l u p r z y s p i e s z e n i a p r o c e s u p o w s t a w a n i a w o d o r u i t l e n u .
Z a s a d n i c z c z [c i e l e k t r o l i z e r a t y p u P E M j e s t z e s p ó B d w ó c h e l e k t r o d ( a n o d y i k a t o d y ) , w y k o n a n y c h
z m a t e r i a Bó w o w Ba [c i w o [c i a c h k a t a l i t y c z n y c h , p r z e d z i e l o n y c h c i e n k m e m b r a n p o l i m e r o w p r z e w o d z c
p r o t o n y , t j . j o n y H + p e Bn i c f u n k c j e l e k t r o l i t u . B u d o w a i z a s a d a d z i a Ba n i a e l e k t r o l i z e r a t y p u P E M o r a z
z a c h o d z c y c h w n i m r e a k c j i n a a n o d z i e i k a t o d z i e p r z e d s t a w i a r y s u n e k 3 . N a a n o d z i e z a c h o d z i p r o c e s u t l e n i a n i a
w o d y , p o d c z a s k t ó r e g o p o w s t a j c z t e r y p r o t o n y i j e d n a c z s t e c z k a t l e n u , z j e d n o c z e s n y m w y d z i e l e n i e m c z t e r e c h
e l e k t r o n ó w . P r o t o n y t e p r z e c h o d z p r z e z p o l i m e r o w m e m b r a n i t r a f i a j n a k a t o d , e l e k t r o n y p o c h o d z c e o d
z e w n t r z n e g o zr ó d Ba o b w o d e m r ó w n i e | t r a f i a j n a k a t o d , g d z i e Bc z c s i z p r o t o n a m i ( r e a k c j a r e d u k c j i ) t w o r z
d w i e c z s t e c z k i w o d o r u . S p r a w n o [ t e g o t y p u e l e k t r o l i z e r ó w w y n o s i o k . 8 5 % .
6
R y s . 3 B u d o w a i z a s a d a d z i a Ba n i a e l e k t r o l i z e r a t y p u P E M .
yr ó d Bo : P . G r y g i e l , H . S a d o w s k i L a b o r a t o r i u m K o n w e r s j i E n e r g i i , W y d z i a B F i z y k i T e c h n i c z n e j i M a t e m a t y k i S t o s o w a n e j
P o l i t e c h n i k a G d a Ds k a 2 0 0 6 .
E l e k t r o l i z e r y t y p u P E M d z i k i e l e k t r o l i t o w i w p o s t a c i c i a Ba s t a Be g o c h a r a k t e r y z u j s i p r o s t i z w a r t
b u d o w . Z e w z g l d u n a p r a c w n i s k i c h t e m p e r a t u r a c h ( n p . w t e m p e r a t u r z e p o k o j o w e j ) , w y m a g a j o n e
s t o s o w a n i a k a t a l i z a t o r a r e a k c j i ( n p . p l a t y n y ) . C i e n k a f o l i a p r z e w o d z c a p r o t o n y ( P E M ) w y t w a r z a n a j e s t
z u |y c i e m s u l f o n o w a n y c h f l u o r o p o l i m e r ó w . P E M w y t w a r z a s i z p o l i e t y l e n u ( P T E ) , w k t ó r y m n a s t p n i e
z a s t p u j e s i w o d ó r f l u o r e m , t w o r z c p o l i t e t r a f l u o r o e t y l e n P T F E ( z w y c z a j o w o z w a n y T e f l o n e m ) . J e s t
o n w y t r z y m a By m e c h a n i c z n i e i o d p o r n y n a d z i a Ba n i e a g r e s y w n y c h z w i z k ó w c h e m i c z n y c h o r a z s i l n i e
h y d r o f o b o w y . N a s t p n i e P T F E p o d d a j e s i s u l f o n o w a n i u , k t ó r e p o l e g a n a d o Bc z e n i u b o c z n e g o Ba Dc u c h a ,
z a k o Dc z o n e g o g r u p s u l f o n o w S O 3 H ( p r z y k Ba d o w a s t r u k t u r a P E M r y s . 4 ) . W o d ó r w g r u p i e S O 3 H j e s t
z w i z a n y j o n o w o . Z a k o Dc z e n i e m b o c z n e g o Ba Dc u c h a j e s t w i c n a s t a Be p r z y Bc z o n y d o n i e g o j o n S O 3
i j o n o w o z w i z a n y z n i m j o n H + . C z s t e c z k i Ba Dc u c h ó w b o c z n y c h d | d o t w o r z e n i a k l a s t e r ó w w e w n t r z
s t r u k t u r y m a t e r i a Bu . G r u p y s u l f o n o w e s w y s o c e h y d r o f i l o w e . Z a t e m m e m b r a n a P E M j e s t m a t e r i a Be m
h y d r o f o b o w y m ( P T F E ) z l o k a l n y m i o b s z a r a m i h y d r o f i l o w y m i w o k ó B k l a s t e r ó w s u l f o n o w a n y c h Ba Dc u c h ó w
b o c z n y c h . O b s z a r y h y d r o f i l o w e c h a r a k t e r y z u j s i t y m , |e s i l n i e p o c h Ba n i a j w o d . W e w n t r z n a w o d n i o n y c h
r e g i o n ó w , j o n y H + s s t o s u n k o w o s Ba b o z w i z a n e z j o n a m i S O 3 i m o |l i w y j e s t i c h r u c h j a k
w p r z y p a d k u w o d n e g o r o z t w o r u k w a s u . W r e z u l t a c i e m o |e m y m ó w i o k w a [n y c h o b s z a r a c h w s i l n i e
h y d r o f o b o w e j s t r u k t u r z e m e m b r a n y . T y p o w a w a r t o [ p r z e w o d n o [c i o s i g a n a p r z e z n a w o d n i o n e m e m b r a n y P E M
t o o k o Bo 0 , 1 S · c m - 1 .
R y s . 4 . P r z y k Ba d o w a s t r u k t u r a P E M .
7
3 . P R Z E B I E G W I C Z E N I A
w i c z e n i e s k Ba d a s i z t r z e c h c z [c i :
1 . P o m i a r i l o [c i p o w s t a j c e g o w o d o r u i t l e n u p o d c z a s r o z k Ba d u w o d y n a e l e k t r o l i z e r z e
P E M z u |y c i e m o g n i w a f o t o w o l t a i c z n e g o j a k o zr ó d Ba s t a Be g o n a p i c i a .
P r z y r z d y :
- e l e k t r o l i z e r P E M 0 - 2 V ,
- d w a z b i o r n i k i z p o d z i a Bk m a x . 3 0 c m 3 ( n a w o d ó r i t l e n ) ,
- o g n i w o f o t o w o l t a i c z n e d o 2 V ,
- zr ó d Bo [w i a t Ba ( l a m p a h a l o g e n o w a O S R A M H A L O P A R 3 0 7 5 W ) ,
- m u l t i m e t r ( w o l t o m i e r z / a m p e r o m i e r z ) ,
- p r z e w o d y e l e k t r y c z n e i w |e z t w o r z y w a .
W y k o n a n i e :
a . Z a p o m o c c z t e r e c h w |y z t w o r z y w a p o Bc z y g ó r n e i d o l n e w y j [c i a z e l e k t r o l i z e r a P E M
z o d p o w i a d a j c y m i i m w y j [c i a m i o b u z b i o r n i k ó w d o g r o m a d z e n i a w o d o r u i t l e n u . U m i e [c i d w a
w |e z t w o r z y w a z d r u g i e j s t r o n y o b u z b i o r n i k ó w t z w . w |e w y l o t o w e ( p o j e d n y m n a z b i o r n i k ) ,
n a s t p n i e n a Bo |y n a n i e o p a s k i z a c i s k o w e i z a m k n d e l i k a t n i e ( w e d Bu g r y s u n k u 5 ) . N a l a w o d
d e s t y l o w a n d o o b u z b i o r n i k ó w d o g ó r n e g o p o z i o m u z a z n a c z o n e g o n a z b i o r n i k a c h , o t w o r z y
k l a m r z a c i s k o w w r a z z e s p a d k i e m p o z i o m u w o d y n a s t p u j e u s u w a n i e p o w i e t r z a z o b u
z b i o r n i k ó w . W o d a p o w i n n a d o s t a s i r ó w n i e | n a e l e k t r o l i z e r P E M . Z a m k n k l a m r y , p o z i o m
w o d y w o b u z b i o r n i k a c h p o w i n i e n z n a j d o w a s i n a p o z i o m i e 0 c m 3 .
R y s . 5 . S c h e m a t p o Bc z e n i a e l e k t r o l i z e r a P E M z e z b i o r n i k a m i d o g r o m a d z e n i a w o d o r u i t l e n u .
b . D o e l e k t r o l i z e r a P E M p o d Bc z y zr ó d Bo z a s i l a n i a o g n i w o f o t o w o l t a i c z n e ( z g o d n i e z o p i s a m i
b i e g u n ó w z n a j d u j c y m i s i n a e l e m e n t a c h ) - u k Ba d p o w i n i e n m i e k o n f i g u r a c j j a k n a r y s . 6 .
L a m p h a l o g e n o w u m i e [c i w o d l e g Bo [c i k i l k u n a s t u c e n t y m e t r ó w o d o g n i w a
f o t o w o l t a i c z n e g o . P o p r o s i p r o w a d z c e g o o s p r a w d z e n i e p o p r a w n o [c i z Bo |e n i a u k Ba d u .
W Bc z y l a m p h a l o g e n o w o [w i e t l a j c o g n i w o f o t o w o l t a i c z n e . O d t e g o m o m e n t u p o w i n n o
z o s t a z a o b s e r w o w a n e w y d z i e l a n i e w o d o r u i t l e n u . Z a r a z p o r o z p o c z c i u e k s p e r y m e n t u p o d Bc z y
d o o g n i w a f o t o w o l t a i c z n e g o w o l t o m i e r z i s p r a w d z i w a r t o [ n a p i c i a ( j e g o w a r t o [ p o w i n n a
w y n o s i o d 1 , 6 V d o 1 , 8 V ) . N a s t p n i e o d Bc z y o s t r o |n i e w o l t o m i e r z i n i e z m i e n i a p o Bo |e n i a
l a m p y h a l o g e n o w e j i o g n i w a f o t o w o l t a i c z n e g o w z g l d e m s i e b i e d o k o Dc a e k s p e r y m e n t u .
8
R y s . 6 . S c h e m a t p o d Bc z e n i a b a t e r i i f o t o w o l t a i c z n e j i u k Ba d u e l e k t r o l i z e r a t y p u P E M .
c . G d y w z b i o r n i k u , w k t ó r y m g r o m a d z i s i w o d ó r z o s t a n i e o s i g n i t a w a r t o [ 1 0 c m 3 ( o k . 2 0 m i n ) ,
s z y b k o o d Bc z a o g n i w o o d e l e k t r o l i z e r a P E M o r a z z g a s i l a m p , j e d n o c z e [n i e s p i s u j c o b j t o [
u z y s k a n e g o t l e n u z e z b i o r n i k a z t l e n e m o r a z o b j t o [ w o d o r u z e z b i o r n i k a z w o d o r e m . N a s t p n i e
o d Bc z y zr ó d Bo z a s i l a n i a , o t w o r z y k l a m r z a c i s k o w n a w |u w y l o t o w y m - n a j p i e r w j e d n ,
o d c z e k a c h w i l d o m o m e n t u u s u n i c i a c a Be j o b j t o [c i j e d n e g o z g a z ó w i z a m k n , o p e r a c j
p o w t ó r z y d l a z b i o r n i k a z d r u g i m g a z e m . P r z e d p r z y s t p i e n i e m d o k o l e j n e j c z [c i w i c z e n i a
z a d b a , a b y w w |a c h p r o w a d z c y c h d o z b i o r n i k ó w n i e z a l e g a B w o d ó r i t l e n .
2 . W y z n a c z e n i e c h a r a k t e r y s t y k i n a p i c i o w o p r d o w e j e l e k t r o l i z e r a P E M .
P r z y r z d y :
- e l e k t r o l i z e r P E M 0 - 2 V ,
- d w a z b i o r n i k i z p o d z i a Bk m a x . 3 0 c m 3 ( n a w o d ó r i t l e n ) ,
- o g n i w o f o t o w o l t a i c z n e d o 2 V ,
- z a s i l a c z 2 V ( b a t e r i a ) ,
- zr ó d Bo [w i a t Ba ( l a m p a h a l o g e n o w a O S R A M H A L O P A R 3 0 7 5 W ) ,
- d w a m u l t i m e t r y ( w o l t o m i e r z / a m p e r o m i e r z ) ,
- r e z y s t o r n a s t a w n y ,
- p r z e w o d y e l e k t r y c z n e i w |e z t w o r z y w a .
W y k o n a n i e :
a . Z Bo |y u k Ba d w e d Bu g s c h e m a t u e l e k t r y c z n e g o z a m i e s z c z o n e g o n a r y s . 7 . J a k o zr ó d Bo n a p i c i a u |y
z a s i l a c z a 2 V . R e z y s t o r n a s t a w n y n a s t a w i n a o p ó r n i e s k o Dc z e n i e d u |y ( s y m b o l ") .
D o e l e k t r o l i z e r a P E M p o d Bc z y z a p o m o c w |y z b i o r n i k i n a t l e n i w o d ó r . Z a c i s n w |e
w y l o t o w e z o b u z b i o r n i k ó w z a p o m o c k l a m e r z a c i s k o w y c h . Z a l a z b i o r n i k i w o d a w e d Bu g z a s a d
z p i e r w s z e j c z [c i w i c z e n i a . P o p r o s i p r o w a d z c e g o o s p r a w d z e n i e p o p r a w n o [c i z Bo |e n i a
u k Ba d u .
9
R y s . 7 . S c h e m a t p o d Bc z e n i a u k Ba d u d o w y z n a c z e n i a c h a r a k t e r y s t y k i n a p i c i o w o - p r d o w e j
e l e k t r o l i z e r a .
b . P o z Bo |e n i u u k Ba d u , z a Bc z y z a s i l a n i e i z a c z k o l e j n o z m n i e j s z a o p ó r n a r e z y s t o r z e
n a s t a w n y m . P o k a |d e j z m i a n i e o p o r u s p i s a z m u l t i m e t r ó w w a r t o [c i n a p i c i a i o d p o w i a d a j c e
m u w a r t o [c i n a t |e n i a p r d u . O b s e r w o w a z m i a n s z y b k o [c i p o w s t a w a n i a w o d o r u i t l e n u w r a z
z e z m i a n z a d a n e g o o p o r u . S p o r z d z i t a b e l w y n i k ó w , w k t ó r e j u m i e s z c z o n e b d n a s t a w i o n e
w a r t o [c i o p o r u e l e k t r y c z n e g o , w a r t o [c i n a p i c i a i n a t |e n i a p r d u . Z a z n a c z y w t a b e l i w a r t o [
n a p i c i a , p r z y k t ó r y m z a o b s e r w o w a n o p r z e p By w p r d u .
c . T s a m a p r o c e d u r p r z e p r o w a d z i z u |y c i e m o g n i w a f o t o w o l t a i c z n e g o j a k o zr ó d Bo z a s i l a n i a .
P o d o b n i e j a k w p o p r z e d n i m w i c z e n i u z a r a z p o r o z p o c z c i u e k s p e r y m e n t u p o d Bc z y d o o g n i w a
f o t o w o l t a i c z n e g o w o l t o m i e r z i s p r a w d z i w a r t o [ n a p i c i a ( o d 1 , 6 V d o 1 , 8 V ) . N a s t p n i e o d Bc z y
o s t r o |n i e w o l t o m i e r z i n i e z m i e n i a p o Bo |e n i a l a m p y h a l o g e n o w e j i o g n i w a f o t o w o l t a i c z n e g o
w z g l d e m s i e b i e d o k o Dc a e k s p e r y m e n t u .
d . N a s t p n i e o d Bc z y zr ó d Bo z a s i l a n i a , o t w o r z y k l a m r z a c i s k o w n a w |u w y l o t o w y m - n a j p i e r w
j e d n , o d c z e k a c h w i l d o m o m e n t u u s u n i c i a c a Be j o b j t o [c i j e d n e g o z g a z ó w i z a m k n , o p e r a c j
p o w t ó r z y d l a z b i o r n i k a z d r u g i m g a z e m . P r z e d p r z y s t p i e n i e m d o k o l e j n e j c z [c i w i c z e n i a
z a d b a , a b y w w |a c h p r o w a d z c y c h d o z b i o r n i k ó w n i e z a l e g a B w o d ó r i t l e n .
3 . O k r e [l e n i e w y d a j n o [c i e n e r g e t y c z n e j i w y d a j n o [c i F a r a d a y a ( p r d o w e j ) e l e k t r o l i z e r a
P E M .
P r z y r z d y :
- e l e k t r o l i z e r P E M 0 - 2 V ,
- d w a z b i o r n i k i z p o d z i a Bk m a x . 3 0 c m 3 ( n a w o d ó r i t l e n ) ,
- o g n i w o f o t o w o l t a i c z n e d o 2 V ,
- zr ó d Bo [w i a t Ba ( l a m p a h a l o g e n o w a O S R A M H A L O P A R 3 0 7 5 W ) ,
- d w a m u l t i m e t r y ( w o l t o m i e r z / a m p e r o m i e r z ) ,
- c z a s o m i e r z / s t o p e r ,
- p r z e w o d y e l e k t r y c z n e i w |e z t w o r z y w a .
W y k o n a n i e :
a . Z Bo |y u k Ba d w e d Bu g s c h e m a t u e l e k t r y c z n e g o z a m i e s z c z o n e g o n a r y s . 8 . J a k o zr ó d Bo n a p i c i a u |y
o g n i w a f o t o w o l t a i c z n e g o . L a m p h a l o g e n o w , p o u s t a l a n i u j e j o d l e g Bo [c i o d b a t e r i i
f o t o w o l t a i c z n e j ( w a r t o [ n a p i c i a 1 , 6 V 1 , 8 V ) , w y Bc z y o r a z o d Bc z y j e d e n z p r z e w o d ó w
e l e k t r y c z n y c h Bc z c y b a t e r i e f o t o w o l t a i c z n z u k Ba d e m . N a s t p n i e d o e l e k t r o l i z e r a P E M p o d Bc z y
z a p o m o c w |y z b i o r n i k i n a t l e n i w o d ó r . Z a c i s n w |e w y l o t o w e z o b u z b i o r n i k ó w z a p o m o c
k l a m e r z a c i s k o w y c h . Z a l a z b i o r n i k i w o d a w e d Bu g z a s a d z p i e r w s z e j c z [c i w i c z e n i a .
1 0
R y s . 8 . S c h e m a t p o d Bc z e n i a u k Ba d u d o w y z n a c z e n i a w y d a j n o [c i e n e r g e t y c z n e j i w y d a j n o [c i F a r a d a y a
e l e k t r o l i z e r a P E M .
b . W Bc z y l a m p h a l o g e n o w . P o d Bc z y p o n o w n i e o g n i w o f o t o w o l t a i c z n e d o u k Ba d u j e d n o c z e [n i e
u r u c h a m i a j c s t o p e r . N o t o w a c z a s y , d l a k t ó r y c h o b j t o [ w o d o r u w z b i o r n i k u b d z i e o s i g a
k o l e j n o w a r t o [c i 5 , 1 0 , 1 5 , 2 0 , 2 5 , 3 0 c m 3 o r a z w a r t o [c i n a p i c i a i n a t |e n i a p r d u . S p o r z d z i
t a b e l w y n i k ó w , w k t ó r e j p o d a n e b d k o l e j n o : o b j t o [c i w o d o r u w z b i o r n i k u ; c z a s , d l a k t ó r e g o
z o s t a By o s i g n i t e t e o b j t o [c i ; w a r t o [c i n a p i c i a i n a t |e n i a p r d u d l a t y c h o b j t o [c i w o d o r u .
c . P o z a k o Dc z e n i u w i c z e n i a o d Bc z y zr ó d Bo z a s i l a n i a , o t w o r z y k l a m r z a c i s k o w n a w |u
w y l o t o w y m - n a j p i e r w j e d n , o d c z e k a c h w i l d o m o m e n t u u s u n i c i a c a Be j o b j t o [c i j e d n e g o
z g a z ó w i z a m k n , o p e r a c j p o w t ó r z y d l a z b i o r n i k a z d r u g i m g a z e m . W y l a w o d
z e z b i o r n i k ó w i e l e k t r o l i z e r a P E M p o p r z e z w |e w y l o t o w e .
4 . O P R A C O W A N I E S P R A W O Z D A N I A
4 . 1 C E L W I C Z E N I A
Z d e f i n i o w a c e l w i c z e n i a .
4 . 2 M E T O D Y K A P O M I A R Ó W
Z a m i e [c i o p i s m e t o d y k i p o m i a r ó w d l a k a |d e j z c z [c i w i c z e n i a . U m i e [c i s c h e m a t y p o Bc z e D
u k Ba d ó w w r a z z o p i s e m e l e m e n t ó w o r a z o k r e [l i m i e r z o n e w a r t o [c i d l a k a |d e j z c z [c i .
4 . 3 W Y N I K I P O M I A R Ó W
U m i e [c i w y n i k i i t a b e l e p o m i a r ó w d l a k a |d e j z c z [c i w r a z z p r a w i d Bo w y m i j e d n o s t k a m i .
4 . 4 O P R A C O W A N I E W Y N I K Ó W
T a m , g d z i e t o k o n i e c z n e p r z y j , |e c i [n i e n i e w l a b o r a t o r i u m w y n o s i p = 1 0 0 0 h P a , a t e m p e r a t u r a
T = 2 5 o C .
C z [ 1 .
O k r e [l i s t o s u n e k u z y s k i w a n e g o w o d o r u d o t l e n u n a p o d s t a w i e z m i e r z o n y c h w a r t o [c i . O b l i c z y
i l o [ m o l i u z y s k a n e g o w o d o r u i t l e n u .
C z [ 2 .
N a p o d s t a w i e z g r o m a d z o n y c h d a n y c h s p o r z d z i w y k r e s y c h a r a k t e r y s t y k i n a p i c i o w o p r d o w e j
e l e k t r o l i z e r a P E M ( I = f ( U ) ) d l a zr ó d Ba z a s i l a n i a w p o s t a c i z a s i l a c z a i o g n i w a f o t o w o l t a i c z n e g o .
O k r e [l i n a p i c i e r o z k Ba d u n a o b u w y k r e s a c h , a n a s t p n i e w y l i c z y [r e d n i e n a p i c i e r o z k Ba d u .
1 1
C z [ 3 .
N a p o d s t a w i e z g r o m a d z o n y c h d a n y c h s p o r z d z i w y k r e s u z y s k a n y c h o b j t o [c i w o d o r u w f u n k c j i
c z a s u ( V H 2 = f ( t ) ) d l a d a n e j m o c y u z y s k i w a n e j n a e l e k t r o l i z e r z e .
W y z n a c z y w a r t o [ m o c y w k a |d y m p u n k c i e p o m i a r o w y m o r a z o k r e [l i [r e d n i m o c p o d c z a s
c a Be g o p o m i a r u .
O b l i c z y :
1 . W y d a j n o [ e n e r g e t y c z n :
=
g d z i e :
E w o d o r u - e n e r g i a , j a k u z y s k a Bo b y s i z e s p a l e n i a 3 0 c m 3 w y p r o d u k o w a n e g o w o d o r u
n a e l e k t r o l i z e r z e P E M [ J ] ,
w a r t o [ o p a Bo w a w o d o r u : 1 2 , 7 4 5 * 1 0 6 J / m 3 .
E e l e k t r - e n e r g i a w y k o r z y s t a n a d o u z y s k a n i a 3 0 c m 3 w o d o r u n a e l e k t r o l i z e r z e P E M [ J ] .
2 . W y d a j n o [ F a r a d a y a ( p r d o w ) :
( )
=
( )
g d z i e :
3
V H ( w y p r o d u k o w a n a ) o b j t o [ w o d o r u r ó w n a 3 0 , w y p r o d u k o w a n a n a e l e k t r o l i z e r z e P E M w
2 c m 3
c z a s i e o k r e [l o n y m p o d c z a s w i c z e n i a i p r z y d a n e j w a r t o [c i p r d u e l e k t r y c z n e g o o r a z d a n y c h
w a r u n k a c h c i [n i e n i a i t e m p e r a t u r y [ c m 3 ] ,
V H ( o b l i c z o n a ) t e o r e t y c z n a o b j t o [ w o d o r u , k t ó r a p o w i n n a z o s t a w y p r o d u k o w a n a w t y m
2
s a m y m c z a s i e w p r o c e s i e e l e k t r o l i z y w o d y p r z y t y c h s a m y c h w a r t o [c i a c h p r d u e l e k t r y c z n e g o ,
c i [n i e n i a i t e m p e r a t u r y [ c m 3 ] .
W c e l u o k r e [l e n i a w a r t o [c i V H ( o b l i c z o n a ) w y k o r z y s t a n a l e |y r ó w n a n i e s t a n u g a z u d o s k o n a Be g o
2
( C l a p e y r o n a ) , p o d s t a w i a j c d o n i e g o o d p o w i e d n i o p r z e k s z t a Bc o n e p i e r w s z e p r a w o F a r a d a y a :
M
( o p i s o z n a c z e D z n a j d u j e s i w c z [c i t e o r e t y c z n e j ) .
m = Å" I t
z F
4 . 5 . W N I O S K I
S f o r m u Bo w a o d p o w i e d n i e w n i o s k i d o k a |d e j z c z [c i w i c z e n i a .
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