Ogniwa paliwowe.pdf

(1473 KB) Pobierz

jak to dziala k.qxd

jak to dział a

medialn¹. W dobie k³opotów z rop¹ naftow¹, pra-

wie w przededniu kryzysu paliwowego, uznawane

s¹ za technologiê przysz³oœci, futurystyczny pomys³,

maj¹cy umo¿liwiæ normalne funkcjonowanie gospodar-

ki œwiatowej po wyczerpaniu zapasów ropy naftowej.

Ma³o kto pamiêta, ¿e ogniwa paliwowe s¹ tak samo

starym wynalazkiem, jak silnik spalinowy.

JAK TO DZIA£A?

1

Ogniwo jest zasilane czystym wodorem i tlenem

w postaci cząsteczkowej Ï H 2 iO 2 .

Do pełnej reakcji potrzebna jest jedna cząsteczka

tlenu O 2 i dwie wodoru H 2 .

Na anodzie każda z cząsteczek wodoru H 2 rozpa-

da się na dwa jony dodatnie H + oddając po dwa

elektrony anodzie. Reakcję taką nazywamy dyso-

cjacją. Elektrony przepływają przez instalację elek-

tryczną, czyli mamy prąd!

Membrana płprzepuszczalna przepuszcza tylko

jony dodatnie. Ta jej właściwość pozwala na pra-

widłowe działanie ogniwa.

Po stronie katody w ogniwie paliwowym łączą się

jony O 2 Ï , H + i elektrony swobodne, dając w rezul-

tacie cząsteczkę obojętnej elektrycznie wody.

Do pełnego bilansu brakuje jeszcze drugiej cząs-

teczki wody. Razem reakcję tę możemy zapisać:

O 2 +2H 2 ÏÏ> 2H 2 O + energia elektryczna + ciepło

2

3

OGNIWA

PALIWOWE

4

5

6

1

O 2

H 2

H 2

e Ï

O 2

H 2

O 2Ï

H 2

H +

O 2Ï

H +

1

2

3

e Ï

H 2

e Ï

O 2Ï

H +

H +

H +

O 2Ï

e Ï

e Ï

H +

H 2 O

4

5

H 2 O

6

Podsumujmy to, czego mo¿na siê dowiedzieæ

z lektury prasy codziennej – ogniwa paliwowe wytwa-

rzaj¹ energiê elektryczn¹, czerpi¹c j¹ z reakcji chemicz-

nych. Paliwem jest wodór lub alkohol metylowy, a pro-

duktami reakcji, czyli spalinami, czysta woda. Wystar-

czy zatankowaæ i ju¿ ma siê do dyspozycji du¿o energii.

Niepotrzebne jest ³adowanie akumulatorów. Czy to

mo¿liwe, ¿e wszystko jest a¿ tak proste?

Podstawowym rodzajem ogniwa, tym, od które-

go wszystko siê zaczê³o w 1842 roku, jest ogniwo zasi-

lane czystym wodorem. W tym roku sir William R. Gro-

ve przeprowadzi³ eksperymenty potwierdzaj¹ce wczeœ-

niejsze odkrycia niemieckiego uczonego Christiana

Friedricha Schönbeina. Sir William R. Grove uruchomi³

wkrótce generator elektryczny sk³adaj¹cy siê z 10 poje-

dynczych ogniw.

41

O gniwa paliwowe robi¹ obecnie zawrotn¹ karierê

15900580.158.png

15900580.168.png

15900580.178.png

15900580.001.png

15900580.019.png

15900580.030.png

15900580.039.png

15900580.048.png

15900580.059.png

15900580.070.png

15900580.078.png

15900580.089.png

15900580.100.png

15900580.111.png

15900580.120.png

15900580.123.png

15900580.124.png

15900580.125.png

15900580.126.png

15900580.127.png

15900580.128.png

15900580.129.png

15900580.130.png

15900580.131.png

15900580.132.png

15900580.133.png

15900580.134.png

15900580.135.png

15900580.136.png

15900580.137.png

15900580.138.png

15900580.139.png

15900580.140.png

15900580.141.png

15900580.142.png

15900580.143.png

15900580.144.png

15900580.145.png

15900580.146.png

15900580.147.png

15900580.148.png

15900580.149.png

15900580.150.png

15900580.151.png

15900580.152.png

15900580.153.png

15900580.154.png

15900580.155.png

15900580.156.png

15900580.157.png

15900580.159.png

15900580.160.png

15900580.161.png

15900580.162.png

15900580.163.png

15900580.164.png

15900580.165.png

15900580.166.png

15900580.167.png

15900580.169.png

15900580.170.png

15900580.171.png

15900580.172.png

15900580.173.png

15900580.174.png

15900580.175.png

15900580.176.png

15900580.177.png

15900580.179.png

15900580.180.png

15900580.181.png

15900580.182.png

15900580.183.png

15900580.184.png

15900580.185.png

15900580.186.png

15900580.187.png

15900580.188.png

15900580.189.png

15900580.190.png

15900580.191.png

15900580.192.png

15900580.193.png

15900580.194.png

15900580.195.png

15900580.196.png

15900580.197.png

15900580.198.png

15900580.002.png

15900580.003.png

15900580.004.png

15900580.005.png

15900580.006.png

15900580.007.png

15900580.008.png

15900580.009.png

15900580.010.png

15900580.011.png

15900580.012.png

15900580.013.png

15900580.014.png

15900580.015.png

15900580.016.png

15900580.017.png

15900580.018.png

15900580.020.png

15900580.021.png

15900580.022.png

15900580.023.png

15900580.024.png

15900580.025.png

15900580.026.png

15900580.027.png

15900580.028.png

15900580.029.png

15900580.031.png

15900580.032.png

15900580.033.png

15900580.034.png

15900580.035.png

15900580.036.png

15900580.037.png

15900580.038.png

15900580.040.png

15900580.041.png

15900580.042.png

15900580.043.png

15900580.044.png

15900580.045.png

15900580.046.png

15900580.047.png

15900580.049.png

15900580.050.png

15900580.051.png

15900580.052.png

15900580.053.png

15900580.054.png

15900580.055.png

15900580.056.png

15900580.057.png

15900580.058.png

15900580.060.png

15900580.061.png

15900580.062.png

15900580.063.png

15900580.064.png

15900580.065.png

15900580.066.png

15900580.067.png

15900580.068.png

15900580.069.png

15900580.071.png

15900580.072.png

15900580.073.png

15900580.074.png

15900580.075.png

15900580.076.png

15900580.077.png

15900580.079.png

15900580.080.png

15900580.081.png

15900580.082.png

15900580.083.png

15900580.084.png

15900580.085.png

15900580.086.png

15900580.087.png

15900580.088.png

15900580.090.png

15900580.091.png

15900580.092.png

15900580.093.png

15900580.094.png

15900580.095.png

15900580.096.png

15900580.097.png

15900580.098.png

15900580.099.png

15900580.101.png

15900580.102.png

15900580.103.png

15900580.104.png

15900580.105.png

15900580.106.png

15900580.107.png

15900580.108.png

jak to dział a

LEKSYKON

Sercem ogniwa paliwowego jest pó³przepusz-

czalna membrana rozdzielaj¹ca katodê i anodê, przez

któr¹ mog¹ przenikaæ tylko jony na³adowane dodatnio.

Z wodoru i tlenu uzyskujemy wodê, ciep³o

i energiê elektryczn¹. W przypadku innych ogniw pali-

wowych, inne mog¹ byæ paliwa, metody elektrolizy

i jony przenosz¹ce ³adunek, ale zasada pozostaje ta sa-

ma. Jest to wiêc reakcja utleniania. Jest to cecha

wspólna wszystkich ogniw paliwowych, gdy¿ si³¹ na-

pêdow¹ w ogniwie paliwowym jest naturalna d¹¿noœæ

do stanów o ni¿szej (chemicznej) energii swobodnej.

Wodór i tlen s¹ w swojej obecnoœci niestabilne i spon-

tanicznie tworz¹ wodê. Produkt (woda) ma ni¿sz¹ ener-

giê swobodn¹ ni¿ substraty (wodór i tlen). Gdy rozdzie-

limy membran¹ redukcjê i utlenianie, ró¿nica energe-

tyczna pomiêdzy substratami i produktami mo¿e zostaæ

przetworzona w energiê elektryczn¹. To zupe³nie tak,

jakby zapanowaæ nad wybuchowym procesem spalania

wodoru w tlenie, zamieniaj¹c czêœæ energii na pr¹d

elektryczny.

Maksymalne napiêcie pojedynczego ogniwa nie

przekracza 1V. W praktyce wiele ogniw musi pracowaæ

w po³¹czeniu. Zazwyczaj ³¹czy siê kilka ogniw w pa-

kiet. Przez zmianê liczby i wielkoœci ogniw system og-

niw paliwowych mo¿e zostaæ dostrojony do niemal ka¿-

dych wymagañ.

Energia swobodna w termodynamice to część energii

wewnętrznej, ktra może być w danym procesie uwolniona

na zewnątrz układu (np. w reakcji chemicznej połączonej

ze zmianą temperatury i ciśnienia).

Anoda czy katoda?

Elektroda, przez ktrą elektrony wypływają z rozważanego

ośrodka nazywamy anodą. Dlatego w ogniwach galwa-

nicznych (i innych elementach czynnych) anoda jest nała-

dowana ujemnie zaś np. w lampie oscyloskopowej (i in-

nych elementach elektronicznych) anoda to elektroda na-

ładowana dodatnio.

Obecnie prowadzi siê prace nad innymi materia-

³ami stosowanymi do budowy ogniw, pozostaj¹ jednak

problemy zwi¹zane ze starzeniem siê ogniw paliwo-

wych. Zanieczyszczenia zawarte w paliwie powoduj¹

stopniowe zatykanie porowatych elektrod, co nieu-

chronnie ogranicza przep³yw jonów wodoru i tlenu,

zmniejszaj¹c wydajnoœæ pr¹dow¹.

NIE TYLKO WODÓR

Jako paliwo najproœciej by³oby wykorzystywaæ

wodór, ale lepiej u¿ywaæ gazu ziemnego, którego g³ów-

nym sk³adnikiem (oko³o 90%) jest metan CH 4 , zaœ naj-

2

Elektrolit

Paliwo

Temperatura

pracy

anoda

elektrolit

katoda

H +2OH

2

–

1

2

O+H 2e

2

2 O+

–

OH –

Zasada potasowa KOH

Czysty wodr

70Ï220 C

2H O+2e

2

–

2OH –

H 2

2H + 2e

1

2

O + 2H 2e

2

+

+

–

H +

Stężony kwas fosforowy

Wodr, gaz ziemny

130Ï220 C

+

–

H 2

H 2

2H + 2e

1

O + 2H 2e

2

+ +

–

Membrana polimerowa

Wodr,

<120 C

H +

2

reformowany metanol

+

–

H 2

H+CO

2

2–

1

2

O + CO 2e

2

2 +

–

Stopiony węglan Li/K

Wodr, gaz ziemny

600Ï800 C

3

CO 3 2–

–

2–

H O+CO +2e

2

2

CO 3

2

H+O

2

2–

O 2–

1

2

O+2e

2

–

Ceramika tlenkowa

Wodr, gaz ziemny

700Ï1000 C

H O+2e

2

–

O 2–

SAME ZALETY?

bezpieczniej – metanolu CH 3 OH.

W ogniwie paliwowym, zasilanym gazem ziem-

nym, ca³y proces zaczyna siê od wydzielania czystego

wodoru w urz¹dzeniu zwanym reformerem. Powstaj¹cy

przy tym dwutlenek wêgla jest usuwany na zewn¹trz.

Podobnie jest w przypadku stosowania metanolu.

Istnieje wiele typów ogniw paliwowych, ró¿ni¹-

cych siê miêdzy sob¹ konstrukcj¹, materia³em elektrod,

rodzajem elektrolitu i katalizatorów. W ogniwach wy-

twarzaj¹cych energiê elektryczn¹ i wodê, przeznaczo-

42

Niestety nie. W latach 60. zastosowano ogniwa

paliwowe w statkach kosmicznych. Do produkcji ogniw

paliwowych stosowano wówczas niezwykle drogie ma-

teria³y, a do ich dzia³ania by³y potrzebne bardzo wyso-

kie temperatury oraz bardzo czysty tlen i wodór. Koszt

ich wytworzenia siêga³ wówczas 100 tysiêcy dolarów

za kilowat, jednak zdecydowano siê na ich u¿ycie, gdy¿

wodór i tlen wykorzystywano jako paliwo i dziêki temu

na statkach kosmicznych by³y dostêpne w du¿ych iloœ-

ciach.

15900580.109.png

15900580.110.png

15900580.112.png

15900580.113.png

15900580.114.png

15900580.115.png

15900580.116.png

15900580.117.png

15900580.118.png

15900580.119.png

nych dla promów kosmicznych, NASA stosuje np.

wodorotlenek potasu. Ale najbardziej uniwersalnymi

i niezawodnymi urz¹dzeniami, maj¹cymi za sob¹ do-

robek d³ugotrwa³ych prac badawczo-rozwojowych,

s¹ ogniwa wykorzystuj¹ce kwas fosforowy oraz ogni-

wa z membranami polimerowymi.

W poszukiwaniu mocniejszych i trwalszych

Ÿróde³ energii elektrycznej naukowcy siêgaj¹ po

mniej znane i ma³o opanowane rozwi¹zania ogniw

paliwowych ze stopionymi wêglanami i zestalonymi

tlenkami. Oba rodzaje maj¹

przetwarzaæ paliwo na pr¹d

elektryczny ze sprawnoœci¹

50% – 60%. Ogniwa te charak-

teryzuj¹ siê wysok¹ tempera-

tur¹ pracy. Ogniwa ze stopio-

nymi wêglanami pracuj¹

w temperaturze 650 stopni

Celsjusza, a ogniwa tlenkowe

w temperaturze zbli¿onej do

1000 stopni Celsjusza. Oznacza to, ¿e powstaj¹ca ja-

ko produkt uboczny woda ma postaæ pary przegrza-

nej, któr¹ mo¿na wykorzystywaæ do napêdzania kon-

wencjonalnej turbiny parowej z dodatkowym genera-

torem elektrycznym albo do grzania wody. Wysoka

temperatura pracy umo¿liwia te¿ bezpoœrednie wy-

korzystywanie gazu ziemnego jako paliwa (zamiast

czystego wodoru).

Informacje na temat ogniw paliwowych do nu-

meru tego i poprzedniego zaczerpniêto z Internetu

(www.fuelcell.no i www.wikipedia.org) oraz archi-

wum redakcji.

Trzy ogniwa paliwowe połączone w pakiet dają łącznie napięcie 3V.

Kanaliki powietrzne i wodorowe połączone są w dwa osobne labi-

rynty. Labirynt z połączonych kanalikw powietrznych służy do do-

starczania do katody tlenu i odprowadzania wody. Labirynt z kanali-

kw wodorowych dostarcza do anody paliwo czyli wodr.

43

15900580.121.png

15900580.122.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Automatyczna ładowarka Akumulatorów Samochodowych z Odsiarczaniem.pdf (1956 KB)
badanie alternatora.pdf (145 KB)
Podręcznik Instalacji LPG Oraz Schematy i Centralki.rar (13653 KB)
Wielki Poradnik Instalatora Autoalarmów.rar (177082 KB)
schemat montażu lamp do jazdy dziennej.jpg (10 KB)

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin