OGNIWA.doc

Ogniwa paliwowe

1)

Ogniwa paliwowe są urządzeniami elektrochemicznymi, które przekształcają energię paliwa bezpośrednio w energię elektryczną i ciepło. Są więc jak gdyby klasycznymi bateriami, w których w sposób ciągły jest dostarczane paliwo do anody (elektrody ujemnej) oraz utleniacz (najczęściej powietrze) do katody (elektrody dodatniej). Paliwem może być bezpośrednio wodór lub też związek zawierający duże ilości tego pierwiastka (gaz ziemny, metanol).

2) Zasada działania

Ogniwo paliwowe jest urządzeniem elektrochemicznym, w którym następuje łączenie wodoru z paliwa z tlenem z powietrza. Produktami reakcji są: elektryczność, ciepło i woda. W czasie pracy ogniwa paliwowego nie zachodzi spalanie w płomieniu, tak więc nie wydzielają się liczne, związane z takim procesem zanieczyszczenia. Pracują ze znacznie wyższą efektywnością niż silniki spalania wewnętrznego - z tej samej ilości paliwa uzyskuje się znacznie więcej użytecznej energii. Samo ogniwo paliwowe nie posiada ruchomych części, co czyni jego pracę cichą i bezawaryjną. Urządzenie składa się z anody i katody, pomiędzy którymi znajduje się elektrolit lub specjalna membrana. Anoda jest pokryta platyną, która pełni rolę katalizatora - umożliwia jonizację wodoru. Dodatnie jony wodoru dyfundują poprzez elektrolit do katody, na której łączą się z tlenem tworząc wodę. Anoda jest połączona z katodą w obwód umożliwiający przepływ elektronom i wykorzystanie tak powstałego prądu elektrycznego. Pojedyncze ogniwa mogą być łączone w baterie w celu uzyskania odpowiedniej mocy i napięcia. Jako paliwo może być wykorzystywany czysty wodór lub paliwo bogate w wodór (gaz ziemny, propan, metanol); utleniaczem jest tlen, który może być dostarczany w czystej postaci lub pozyskiwany bezpośrednio z powietrza.

Ogniwa paliwowe są więc efektywnym, bezawaryjnym i przyjaznym środowisku naturalnemu źródłem energii elektrycznej i ciepła.

FOTOOGNIWA

1)

Fotoelement ze złączem, w którym wykorzystuje się siłę elektromotoryczną, powstającą w skutek oświetlenia złącza światłem, stanowi ogniwo.

(Rys)

Złącze fotoogniwa jest wykonane, w ten sposób, że na grubszej warstwie półprzewodnika typu p, jest naniesiona cienka warstwa półprzewodnika typu n. Światło oświetlając warstwę półprz. Typu p wytwarza w niej elektrony i dziury. Wytworzone elektrony dyfundują w kierunku złącza p-n i przedostają się do warstwy półprz. Typu n. Dziury natomiast nie mogą pokonać bariery potencjału złącza i pozostają w warstwie p. W skutek tego warstwa p ładuje się dodatnio a n ujemnie. Na przejściu złącza p-n, powstaje dodatkowa różnica potencjału, przyłożona wprost. Tę różnicę potencjału nazywamy siłą fotoelektromotoryczną.

Tego rodzaju złącza mogą być wykorzystane jako fotoelementy w światłomierzach albo jako baterie słoneczne. Całkowita czułość fotoelementów ze złączem p-n jest znacznie większa od czułości fotoelementów korzystających z zewnętrznego zjawiska fotoelektrycznego.

2) Rodzaje fotoogniw:

- germanowe,

- selenowe,

- siarkowo-srebrne,

- siarkowo-talowe,

- z tlenku miedzi,

- krzemowe,

- z arsenku galu

Te ostatnie są bardziej odporne na niszczące działanie korpuskularnego promieniowania kosmicznego i znalazły zastosowanie, obok ogniw krzemowych, w statkach kosmicznych.

Maksymalna siła elektromotoryczna jest proporcjonalna do szerokości energetycznej pasma zabronionego. Z tych względów nie znalazły zastosowania jako materiał na fotoogniwo półprzewodnikowe o szerokości energetycznej pasma zabronionego mniejszej od szerokości pasma dla krzemu.

Zasadniczą wadą fotoogniw jest ich duża bezwładność wynikająca przede wszystkim z ich pojemności. Fotoogniwa krzemowe o dużej powierzchni, zwane bateriami słonecznymi, są stosowane do zasilania urządzeń elektrycznych w sputnikach i statkach kosmicznych, meteorologicznych i telefonicznych na terenach słabo zaludnionych.

Teoretyczna sprawność przetwarzania energii świetlnej w energię elektryczną dla fotoogniw krzemowych wynosi 22-23% a wartości osiągane są rzędu 15%.

Ogniwa galwaniczne

Ogniwo galwaniczne jest to urządzenie zamieniające bezpośrednio energię chemiczna na energię elektryczną prądu stałego. Proces ten następuje w wyniku reakcji elektrochemicznych (tzn. reakcji chemicznych z oddawaniem lub przyłączaniem elektronów). Ogniwo zasadniczo składa się z dwóch elektrod zanurzonych w roztworze odpowiedniego elektrolitu. Jony powstałe w wyniku dysocjacji warunkują powstawanie na powierzchniach elektrod podwójnych warstw elektrycznych. Wskutek tego elektroda zyskuje pewien potencjał względem roztworu (tzw. napięcie kontaktowe). Połączenie zewnętrznym przewodnikiem elektrod o różnym potencjale względem roztworu, zanurzonych w roztworze elektrolitycznym, powoduje przepływ prądu przez przewodnik. 

2) Historia

Po doświadczeniach Galvaniego, w 1792 r. A. Volta był przekonany o istnieniu nowego rodzaju elektryczności – elektryczności zwierzęcej. Długie serie eksperymentów naprowadziły jednak Voltę na właściwy trop. W 1796 r. zrezygnował on z mięśni żaby jako podstawy obiektu i zamiast nich użył roztworu elektrolitycznego (początkowo była to głównie woda morska, a więc roztwór wodny przede wszystkim soli kuchennej). W tym przypadku prąd także płynął (jedynym wtedy detektorem prądu było udo żabie, dziś efekty badane przez Voltę można zbadać dokładnie, stosując odpowiednie galwanometry). Na tej podstawie Volta doszedł do wniosku, że mięśnie w zjawisku zaobserwowanym przez Galvaniego odgrywają rolę uboczną, a właściwym „sprawcą” efektów jest roztwór sali zawarty w mięśniach. Od tego momentu Volta zajął się badaniem tylko własności metali zanurzanych w elektrolicie.

Później Volta próbował wyeliminować też elektrolit, uważając, że przyczyną powstawania napięcia nie są zjawiska zachodzące na powierzchniach metali kontaktujących z elektrolitem, ale na powierzchni kontaktu dwóch metali, a elektrolit (nazywany przez Voltę przewodnikiem II rodzaju) tylko ten kontakt ułatwia. Doświadczenia przekonały go, że istotnie między dwoma kontaktującymi różnymi metalami powstaje napięcie (kontaktowe). Stwierdzając dalej, że napięcie to nie zależy od tego, jakie i ile metali pośrednich włączonych jest w obwód (tzw. prawo Volty), doszedł on do wniosku, iż w obwodzie zamkniętym przewodników metalowych (I rodzaju) suma napięć kontaktowych musi być równa zeru (niektórzy to stwierdzenie nazywają prawem Volty).

Nie przeszkodziło to jednak Volcie w zestawieniu znanych mu metali w tzw. szereg napięciowy (wg wartości napięcia kontaktowego między nimi). Na tej z kolei podstawie doszedł do wniosku, iż zjawiska kontaktowe można wykorzystać do budowy praktycznego urządzenia pozwalającego wytwarzać stały prąd elektryczny (dotychczas do tych celów służyła tylko maszyna elektrostatyczna, która pozwalała uzyskiwać bardzo krótkotrwałe impulsy prądu).W 1800 r. Volta zbudował pierwsze ogniwo galwaniczne (nazwane tak na cześć Galvaniego). Jako elektrod używał miedzi, mosiądzu lub srebra (elektroda dodatnia) i cyny lub cynku (elektroda ujemna) w postaci krążków oddzielonych kawałkami papieru (później tkaniny) nasyconych woda morską (potem roztworem wodnym kwasu siarkowego) jako roztworem elektrolitu. Łącząc wiele ogniw galwanicznych szeregowo ze sobą Volta zbudował baterię ogniw (tzw. stos Volty), który pozwalał uzyskiwać dość silny stały prąd elektryczny.

Ogniwa galwaniczne odegrały fundamentalną rolę w początkowym okresie rozwoju nauki o prądzie elektrycznym. Były też przedmiotem licznych badań zmierzających do ich udoskonalenia. W toku tego procesu powstały nie tylko nowe typy ogniw, ale również odwracalne ogniwa galwaniczne czyli akumulator, którego idea narodziła się zaraz po zbudowaniu stosu Volty. W pełni użyteczne i dziś szeroko stosowane są akumulatory ołowiowe zbudowane w 1859 r. przez G. Plante.