SZKOLNE MODELE OGNIW PALIWOWYCH

CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2007, R. 12, NR 1-2
31
Pavel Opatrný i Martin Bílek
Katedra Chemii
Wydział Pedagogiczny
Uniwersytet Hradec Králové
email: [email protected]; [email protected]
SZKOLNE MODELE OGNIW PALIWOWYCH
FUEL CELLS TEACHING MODELS
Streszczenie: Spalanie „klasycznych źródeł energii” (węgla, ropy, gazu itp.) powoduje znaczne obciąŜenie ekologiczne.
Dlatego teŜ niezbędne jest poszukiwanie optymalnych warunków wykorzystania tzw. „odnawialnych źródeł energii”, np.
energii słonecznej, wiatrowej i wodnej. Problemem jest, jak tę czystą energię moŜliwie najefektywniej magazynować w celu
dalszego wykorzystywania. Właśnie wodór, pozyskiwany z uŜyciem ekologicznej wtórnej metody elektrolizy wody, staje się
zadowalającym medium magazynującym. Zestaw funkcjonalnych modeli szkolnych słuŜących do demonstrowania
„odnawialnego systemu” składa się z ogniwa słonecznego, elektrolizera oraz ogniwa paliwowego podłączonego do obwodu
elektrycznego. Ogniwo słoneczne zamienia energię słoneczną na elektryczną dzięki elektronom obecnym w warstwie n płyty
krzemowej. Tak pozyskana energia w elektrolizerze rozkłada wodę w procesie elektrolizy na wodór i tlen. W szkolnych
modelach ogniw paliwowych, w temperaturze pokojowej, przebiega synteza wodoru i tlenu, podczas której następuje zamiana
energii chemicznej na elektryczną. Z punktu widzenia chemii chodzi o niskotemperaturowe elektroutlenianie wodoru.
Podstawą działania elektrolizera i ogniwa paliwowego jest membrana PEM (Proton Exchange Membrane lub Polymer
Electrolyte Membrane), za pośrednictwem której odbywa się jednokierunkowy transport jonów H+. Połączenie systemu
elektrolizera oraz ogniwa paliwowego obrazuje szkolny model samochodzika napędzanego niskotemperaturowym ogniwem
paliwowym. Modele takie są dostępne handlowo.
Słowa kluczowe: źródła energii, odnawialne źródła energii, modele szkolne ogniw paliwowych.
Summary: Combustion of energy resources, like coal, oil, earth gas, causes a hard environmental damage. It is necessary to
find an optimal usage of the so-called “renewable energy resources”, like energy of Sun, wind and water. The problem is how
to most effectively store a “pure energy”. Hydrogen, produced by the ecological reversible method of the water electrolytic
process, is the most advantageous medium to storage. A set of school functional models to demonstrate “renewable system”
consists of a solar cell, electrolyzer and fuel cell connected to an electric circuit. A solar cell converts solar energy into electric
one. Energy acquired in the electrolyzer splits water into hydrogen and oxygen. A synthesis of hydrogen and oxygen into water
proceed at room temperature in the fuel cell teaching model. A chemical energy converts into the electric one during the
synthesis. From the chemical point of view it is a low temperature electrical oxidation. The core of both electrolyzer and fuel
cell is PEM - Proton Exchange Membrane or Polymer Electrolyte Membrane through which a one way transmission of H+ ions
is realized. Connecting both system of electrolyzer and fuel cell is represented by a school car model powered with a low
temperature reversible fuel cell. The models are available commercially.
Keywords: energy resources, renewable energy resources, school models of fuel cells
Wstęp
Współcześnie pozyskiwanie energii opiera się
w głównej mierze na wykorzystywaniu tzw. „źródeł
nieodnawialnych”. NaleŜą do nich przede wszystkim ropa
naftowa, węgiel kamienny i brunatny oraz gaz ziemny.
Według najnowszych danych opublikowanych przez firmę
British Petroleum, przy współczesnych trendach produkcji
energii ogólnoświatowe zasoby ropy zostaną wyczerpane
w ciągu najbliŜszych 40 lat, gazu ziemnego w ciągu 65 lat,
a węgla w ciągu 200 lat. I to mimo nieustannie odkrywanych
nowych złóŜ, poniewaŜ ich dodatkowy potencjał jest
kompensowany wciąŜ rosnącym zapotrzebowaniem.
Obecnie podstawowy światowy sektor energetyczny
oprócz paliw kopalnych (węgiel 23%, ropa 35%, gaz 21%)
wykorzystuje takŜe, choć w mniejszych ilościach, uran (7%).
Na znaczeniu zyskują równieŜ tzw. odnawialne źródła
energii (wykorzystujące np. energię kinetyczną wody 2% czy
przerób biomasy 11% oraz pozostałe 1%). Energia
pochodząca ze wszystkich wymienionych źródeł jest
32 CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2007, R. 12, NR 1-2
wykorzystywana w elektroenergetyce, ciepłownictwie,
komunikacji, przemyśle, gospodarstwach domowych
i usługach [1]. Oczywiste jest, Ŝe głównym źródłem energii
pozostaje w dalszym ciągu spalanie paliw kopalnych. Oprócz
problemu tzw. „nieodnawialności źródeł energii” pojawiło
się kolejne alarmujące ostrzeŜenie, czyli duŜa produkcja CO2
oraz innych substancji, wpływających negatywnie na nasze
środowisko przyrodnicze (popiół lotny, gazy, np. NOx,
CnH2n+2, SO2 itp.). Ten sposób pozyskiwania energii
charakteryzuje się niskim stopniem skuteczności, a światowi
specjaliści określają go pojęciem „One Way Technology”
[2].
Czy moŜliwa jest zmiana priorytetów w sposobach
wykorzystania źródeł energii? DąŜenie do stworzenia tzw.
„alternatywnego systemu energetycznego” łączy się zarówno
z
obniŜeniem
stopnia
zuŜycia,
dzięki
tzw.
„niskoenergetycznym technologiom”, jak i ze zwiększonym
wykorzystywaniem „odnawialnych źródeł energii”. W ich
skład wchodzi przede wszystkim energia słoneczna,
wiatrowa i wodna, lecz takŜe spalanie biomasy,
wykorzystanie energii biotermalnej oraz innych źródeł.
Jednak nawet alternatywne źródła energii nie są w stanie
rozwiązać wszystkich problemów. W jaki sposób dostarczyć
energię, kiedy akurat te źródła nie są dostępne (np. w nocy,
gdy nie moŜemy wykorzystać promieni słonecznych, przy
bezwietrznej pogodzie lub niskim poziomie wód itd.)? Jak tę
pozyskaną „czystą energię” magazynować? Po historycznych
odkryciach róŜnych typów akumulatorów energii
elektrycznej, np. ogniw galwanicznych, suchych i in.,
w drugiej połowie minionego stulecia zaczęto pracować nad
stworzeniem urządzenia do energetycznego wykorzystania
wodoru, który moŜna uzyskać m.in. dzięki elektrolizie wody.
Rys. 1. Schemat funkcjonowania ogniwa słonecznego [4]
Kolektory słoneczne, wiatraki lub turbiny wodne mogą
stanowić pewne „ekologiczne” źródło energii elektrycznej
potrzebnej do przemiany wody w wodór (elektroliza wody),
który moŜe być następnie wykorzystywany jako paliwo
(reakcja wodoru z tlenem, podczas której powstaje woda).
Ten „odnawialny system” bazuje na praktycznie
niewyczerpalnych zasobach wodoru, którego spalanie
powoduje powstanie energii oraz wody nieszkodliwej dla
przyrody naszej planety, a mogącej słuŜyć powtórnemu
wykorzystaniu jako źródło wodoru.
Nowe technologie w szkolnym programie - funkcje
modeli i ich demonstrowanie
Nowe „ekologiczne” technologie pozyskiwania energii
naleŜy rozpropagować wśród ludzi. Gdzie, jeŜeli nie
w szkołach, moŜna zmienić poglądy na temat współczesnych
priorytetów systemu energetycznego, poprzez przybliŜenie
modeli, na których moŜna demonstrować zasady działania
„odnawialnych systemów”. Jednym z przykładów moŜe być
zestaw szkolny złoŜony z ogniwa słonecznego, elektrolizera
oraz ogniwa paliwowego podłączonego do obwodu
elektrycznego. Połączenie elektrolizera i ogniwa paliwowego
moŜe być w odpowiednio przekonujący sposób
przeprowadzone na przykład za pomocą tzw. autka na wodę.
Wykorzystywanie
modeli
i
ich
demonstrowanie
w warunkach szkolnych są zgodne z rozwojem nowoczesnej
nauki i praktyki technicznej. „Wykorzystywanie modeli
w nauczaniu ma na celu przede wszystkim zwrócenie uwagi
na określony punkt widzenia, wyjaśnienie, na czym polega
wykorzystywana metoda pracy oraz wprowadzenie
odpowiedniej terminologii” [3].
CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2007, R. 12, NR 1-2
Szkolny zestaw modeli ogniw paliwowych
Zestaw szkolny składa się z dwóch elementów: ogniwa
słonecznego i ogniwa paliwowego. Ogniwo słoneczne
stanowi podstawowe źródło energii dla modelu. Natomiast
ogniwo paliwowe składa się z dwóch odrębnych części elektrolizera i właściwego ogniwa paliwowego.
33
tymi warstwami powstaje złącze (powierzchnia) n-p,
zatrzymujące przepływ wolnych - nadmiernych elektronów
z warstwy n bezpośrednio do warstwy p (rys. 1) [4].
Rys. 3. Schemat PEM - ogniwa paliwowego
Rys. 2. Schemat PEM - elektrolizera
Model ogniwa słonecznego
Metoda działania ogniwa słonecznego polega na
wykorzystaniu
zjawiska
fotowoltaicznego.
Chodzi
o zjawisko, podczas którego w materiale pod działaniem
światła (fotonów) uwalniane są elektrony. Ogniwo słoneczne
składa się z dwóch warstw krystalicznego krzemu (wcześniej
wykorzystywano jedynie monokryształy krzemu, dziś stosuje
się równieŜ tańszy częściowo krystaliczny materiał). Górna
warstwa płyty krzemowej jest zwykle domieszkowana
fosforem (półprzewodnik typu n), natomiast na dolnej
warstwie jest nadrukowana powłoka ze srebra (Ag)
z domieszką glinu (Al). Glin w czasie procesu produkcji
przenika do płyty krzemowej, tworząc warstwę p
(półprzewodnik typu p). W warstwie n pojawia się nadmiar
elektronów, w warstwie p ich niedostatek (puste miejsca).
RóŜnica ta powstaje właśnie z powodu nasycenia płyty
kryształu krzemowego przylegającymi materiałami. Między
Obecność fotonów w górnej warstwie krzemu (typu n)
rozpoczyna proces uwalniania elektronów, które dzięki
elektrycznej barierze potencjału na przejściu n-p nie mogą
przeniknąć do warstwy przewodzenia p. Nagromadzenie
elektronów w górnej warstwie typu n wytwarza potencjał
elektryczny około 0,6 V na jedno ogniwo słoneczne.
Przy załączeniu napięcia elektrycznego elektrony
zaczynają przechodzić przez przewodnik do warstwy p.
Właściwość złącza n-p sprawia, Ŝe wolne elektrony mogą
łatwiej przechodzić z warstwy p do warstwy n niŜ
w odwrotnym kierunku. W związku z tym elektrony
z warstwy p zajmują miejsce uwolnionych elektronów
z warstwy n i w ten sposób cały obwód jest zamknięty [4].
Model elektrolizera PEM
Elektrolizer PEM jest systemem słuŜącym do elektrolizy
wody. Skrót PEM (Proton Exchange Membrane lub Polymer
Electrolyte Membrane) oznacza membranę przepuszczającą
protony, która tworzy trzon tego modelu (rys. rys. 2 i 3).
Elektrolizer
składa
się
z
elektrod
dodatniej
i ujemnej, oddzielonych membraną (PEM), elektrolitem jest
34 CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2007, R. 12, NR 1-2
woda. Poszczególne typy elektrolizerów róŜnią się rodzajem
oraz sposobem rozmieszczenia elektrod i elektrolitu. Trzon
tworzy wspomniana juŜ wyŜej cienka półprzepuszczalna
membrana, pokryta z obu stron warstwą katalizatora. Te
dwie strony tworzą katodę i anodę elementu. Po podłączeniu
stałego napięcia, uzyskanego np. za pośrednictwem ogniw
słonecznych, dochodzi do rozkładu wody na wodór i tlen
(przy napięciu ok. 1,23 V). Skuteczność tego modelu wynosi
85%. Po przyłoŜeniu stałego napięcia na anodzie zaczynają
się uwalniać molekuły tlenu, kationy wodoru i elektrony.
Jony wodoru H+ wędrują przez membranę i wraz
z elektronami „płynącymi” w obwodzie elektrycznym tworzą
na katodzie atomy wodoru, a następnie molekuły wodoru.
Anodowa strona gromadzi molekuły tlenu.
Reakcja anodowa (utleniania)
2H2O → 4H+ + 4e– + O2
Rekcja katodowa (redukcja)
4H+ + 4e– → 2H2
Model ogniwa paliwowego PEM
Ogniwo paliwowe PEM to cichy, niskotemperaturowy
element, zamieniający energię chemiczną na elektryczną bez
szkodliwych emisji. Anodowa i katodowa część ogniwa jest
oddzielona folią (membraną), która umoŜliwia przejście
jedynie protonom.
Wodór przyłączony do anody rozkłada się w procesie
katalizy juŜ w temperaturze pokojowej na protony
i elektrony. Jony H+ (protony) przenikają przez membranę na
stronę katody. Elektrony wędrują po zewnętrznym
zamkniętym obwodzie elektrycznym od anody do katody,
wykonując pracę elektryczną. Po stronie katody następnie
powstaje woda.
Reakcja anodowa (utleniania)
produkuje szkodliwych tlenków siarki i azotu,
odpowiedzialnych za powstawanie kwaśnych deszczy
i smogu ani Ŝadnych innych substancji. „Cichy tryb pracy” to
kolejna właściwość tychŜe elementów, poniewaŜ one nie
mają właściwie Ŝadnych ruchomych części. Znane są juŜ
przykłady hoteli, znajdujących się w spokojnych
i trudno dostępnych górskich regionach, które starają się
zastąpić stare, głośne generatory Diesla, produkujące energię
elektryczną, właśnie ogniwami paliwowymi. Badania nad ich
wykorzystaniem obejmują obecnie coraz więcej dziedzin począwszy od napędów elektrycznych pojazdów, poprzez
zastosowanie w technologii kosmicznej, aŜ po przenośne
źródła prądu do laptopów itp. Ogniwa paliwowe oferują
światu moŜliwość stworzenia „czystej energii” bez
wyraźnych negatywnych skutków dla kolejnych generacji.
Odpowiedni w warunkach szkolnych „ekologiczny
system energetyczny” to połączenie ogniwa słonecznego
i ogniwa paliwowego w modelu samochodzika. Jako paliwo
słuŜy woda destylowana, a podstawowym źródłem energii
jest ogniwo słoneczne o napięciu ok. 1÷2 V, w zaleŜności od
intensywności promieni słonecznych. Najpierw wykorzystuje
się ogniwo słoneczne w celu dostarczenia energii do
elektrolizy wody, po czym ma miejsce synteza wody
w elemencie paliwowym, podczas której energia chemiczna
zostaje przekształcona w energię elektryczną, napędzającą
elektryczny silniczek samochodzika.
a)
2H2 → 4H+ + 4e–
Rekcja katodowa (redukcja)
4H+ + 4e– + O2 → 2H2O
PEM - Proton Exchange Membrane
Membrana oddzielająca w ogniwie paliwowym część
katody od anody, oznaczona symbolem PEM, to polimerowa
folia teflonowa, na której obu stronach znajdują się grupy
sulfonowe -SO3H. Po nawilŜeniu membrany dochodzi do
dysocjacji grup -SO3H, a membrana zyskuje odczyn kwaśny,
dzięki czemu staje się przepuszczalna wyłącznie dla
protonów. W rezultacie ma miejsce dobry transport jonów
H+ (protonów), podczas gdy aniony mają bardzo ograniczoną
moŜliwość przejścia przez membranę.
b)
Opis działania ogniwa paliwowego
Zaletą wykorzystania ogniw paliwowych jest ich
wysoka skuteczność - około 50÷60%, czyli praktycznie
dwukrotnie wyŜsza niŜ w przypadku najlepszych urządzeń
spalających. Kolejną zaletą jest czystość pracy. Ogniwo
paliwowe, w przeciwieństwie do silnika spalinowego, nie
Rys. 4. Modele samochodzika szkolnego napędzanego PEM - ogniwem
paliwowym: a) produkt firmy H-TEC, b) produkt firmy KOSMOS
CHEMIA ● DYDAKTYKA ● EKOLOGIA ● METROLOGIA 2007, R. 12, NR 1-2
Modele ogniw paliwowych dostępnych na rynku
W Czechach nie udało nam się dotychczas znaleźć ani
producenta, ani osób zainteresowanych produkcją szkolnych
modeli ogniw paliwowych. Tymczasem na własny uŜytek
posługujemy się bogatym źródłem pomocy szkolnych,
dostępnych na rynku niemieckim (rys. 4). Prawdopodobnie
najwięcej produktów z tej dziedziny oferuje firma H-TEC
[5], w której istnieje moŜliwość zakupienia zestawów,
począwszy od najprostszych modeli, aŜ po dość
skomplikowane
systemy
demonstracyjne.
Zakup
samochodzika to wydatek rzędu 170÷220 euro. Kolejną
specjalistyczną firmą jest HELIOCENTRIS [6], która
równieŜ oferuje szereg modeli demonstrujących ogniwa
paliwowe. Sprzedawany jest wyłącznie jeden model za 189
euro. Innym producentem jest firma KOSMOS [7], która
zajmuje się produkcją zabawek, lecz dostarcza równieŜ na
rynek świetne modele za 140 euro. Kolejną firmą
dostarczającą juŜ wyłącznie profesjonalny system
H2-Trainer (cena 1273 euro) jest IKS Photovoltaik [8].
Zakończenie
Innowacja
programu
nauczania
przedmiotów
przyrodniczych jest wciąŜ aktualnym wyzwaniem zarówno
dla specjalistycznej działalności naukowej dotyczącej
teoretycznych
aspektów
procesu
kształcenia
na
poszczególnych kierunkach, jak i w konkretnej praktyce
nauczania. Podany przykład innowacji uwzględniający
35
zagadnienia dotyczące najnowszych trendów w zakresie
pozyskiwania, przechowywania i wykorzystywania nowych
źródeł energii, naszym zdaniem, powinien być brany pod
uwagę przy tworzeniu nowych programów nauczania
rozszerzonych o aspekty ekologiczne i interdyscyplinarne.
Literatura
[1]
Sviták F.: Jaderná energetika a trvale udržitelný rozvoj. Britské listy
[online]. 2004/9/7 [cyt. 2004-09-07]. Dostępne z <http://www.blisty.cz
/2004/9/7/art19680.html>
[2] Scherr D.: Das Solar-Brennstoffzellenauto - Ein fächerübergreifender
Kontext für den Chemiunterricht der Klasse 11. Praxis der
Naturwissenschaften Chemie in der Schule, 2003, 52, 3, 16-20.
[3] Vachek J. i Lepil O.: Modely a modelování ve vyučování fyzice.
1. vyd. Praha SPN, 1980.
[4] Šuman ELEKTRO. [online], [cyt. 2004-9-13]. Dostępne
z <http://suman-elektro.kvalitne.cz/princip.htm>
[5] H-tec. [online], [cyt. 2004-9-13]. Dostępne z <http://www.h-tec.com>.
[6] Heliocentris.
[online],
[cyt.
2004-9-13].
Dostępne
z <http://www.heliocentris.com>
[7] Kosmos. [online], [cyt. 2004-9-13]. Dostępne z <http://www.kosmos.
de>
[8] IKS
Photovoltaik.
[online],
[cyt.
2004-9-13].
Dostępne
z <http://www.iks-photovoltaik.de>
[9] H-tec. Solarer Wasserstoff Erneuerbare Energie und Brennstoffzellentechnik Begleitext. [online], [cyt. 2004-9-13]. Dostępne
z <http://www.h-tec.com/education/downloads/transparencies/Text_
deutsch.pdf>
[10] Opatrný P. i Bílek M.: Modely palivových článků ve výuce chemie.
[w:] K. Myška, P. Opatrný (eds.) Mezinárodní seminář o modelování
ve výuce chemie. Gaudeamus, Hradec Králové 2004, 120-127.