elettrolisi e celle a combustibile. curve di polarizzazione. leggi di

Esperienze di Laboratorio di Chimica Fisica 1
ELETTROLISI E CELLE A COMBUSTIBILE.
CURVE DI POLARIZZAZIONE. LEGGI DI FARADAY. EFFICIENZA.
ATTIVAZIONE DEL SISTEMA
1) Collegare l’alimentatore in serie con l’amperometro e con l’elettrolizzatore. Collegare il
voltmetro in parallelo con l’elettrolizzatore. Impostare il selettore su SHORT CIRCUIT e verificare
che la corrente che passa non superi i 450 mA in valore assoluto. Se è più alta, abbassare il
voltaggio di uscita dell’alimentatore, se è più bassa, alzarlo.
Power otput
2) Collegare la cella all’elettrolizzatore attraverso i tubi in dotazione, chiudere le uscite della cella
applicando i tappi sui tubi in uscita dalla cella
3) Produrre idrogeno e ossigeno per circa 5 minuti fino a riempire il serbatoio dell’idrogeno (tappi
chiusi), spurgare attraverso la cella per 5 minuti (tappi aperti), poi ripetere le due operazioni. Se
il gas è prodotto troppo velocemente, abbassare leggermente la corrente in uscita
dall’alimentatore.
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Esperienze di Laboratorio di Chimica Fisica 1
CURVA DI POLARIZZAZIONE DELL’ELETTROLIZZATORE
4) Prima di eseguire la curva di polarizzazione dell’elettrolizzatore, E vs I, impostiamo il selettore su
1 Ohm e regoliamo la tensione in uscita dall’alimentatore in modo che attraverso
l’amperometro passi una corrente di circa 500 mA. Questo serve a calibrare la corrente massima
che fluirà attraverso il sistema. Vuotiamo i serbatoi.
5) Registriamo la curva di polarizzazione dell’elettrolizzatore, variando il selettore tra le posizioni
open circuit, 200, 100, 50, 10, 5, 3, 1 Ohm, lamp, motor. In ogni posizione lasciamo che la
situazione si stabilizzi per circa 30 secondi e poi facciamo la lettura di corrente e voltaggio. Ad
ogni valore impostato, variano in base alla legge di Ohm la tensione effettiva applicata
all’elettrolizzatore (corrispondente alla tensione in uscita dall’alimentatore meno la caduta
ohmica sulla resistenza) e di conseguenza la corrente di elettrolisi. Registriamo le letture fatte in
una tabella a tre colonne, con una riga per ogni posizione:
Posizione
Tensione U /V
Corrente I /A
…….
Possiamo anche fare una misura a short circuit (collegamento diretto con l’alimentatore), ma
molto veloce (2-3s max), perché la corrente elevata potrebbe danneggiare l’elettrolizzatore.
Spegniamo poi l’alimentatore.
6) Costruiamo un grafico riportando nelle ascisse la tensione applicata ed in ordinata la corrente di
elettrolisi. Riportiamo anche il punto open circuit (a corrente 0). Otteniamo la CURVA DI
POLARIZZAZIONE dell’elettrolizzatore. Verifichiamo la curva ottenuta e forniamo una
spiegazione del perché la tensione necessaria aumenta all’aumentare della corrente di elettrolisi
richiesta.
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LEGGI DI FARADAY ED EFFICIENZA DELL’ELETTROLIZZATORE
7) Verifichiamo ora l’efficienza dell’elettrolizzatore. Senza modificare le connessioni, impostiamo la
resistenza del selettore a 3 o a 5 Ohm. Applichiamo la tensione all’elettrolizzatore accendendo
l’alimentatore e, quando corrente e tensioni sono più o meno costanti, annotiamo i volumi
iniziali di H2 o O2 e azioniamo il cronometro.
8) Facciamo fluire corrente per un tempo sufficiente ad accumulare quantità apprezzabili di H2 e
O2. Annotiamo eventuali variazioni nel tempo di corrente e potenziale. Alla fine dell’accumulo,
annotiamo il tempo trascorso e i volumi finali dei gas. Spegniamo l’alimentatore.
Otterremo un report dei dati di questo tipo:
V H2 iniziale =
V H2 finale =
H2 prodotto =
V O2 iniziale =
V O2 finale =
O2 prodotto =
Tempo /s
Tensione U /V
0
……
Tempo finale
Carica consumata Q = I * t
Corrente I /A
9) In base alle leggi di Faraday, gli equivalenti di carica passati (in F) devono corrispondere agli
equivalenti di gas prodotti. L’efficienza faradica dell’elettrolizzatore corrisponderà al rapporto
tra la quantità prodotta (equivalenti di gas) e la quantità consumata (F di carica)
10) Gli equivalenti di carica corrispondono a Q = tempo * corrente / F (se la corrente è costante, se
invece varia significativamente durante l’elettrolisi, si possono seguire due vie: a. considerare la
corrente media, b. integrare i singoli segmenti di Q1=Δt1*I1, Q2=Δt2*I2, ecc… e poi sommare
Qtot=Q1+Q2+…)
11) Gli equivalenti di gas corrispondono al volume prodotto / volume equivalente a 20 °C. Per H2 il
volume equivalente è 24 litri / 2 (due elettroni scambiati per ogni H2), mentre per O2
corrisponde a 24 l / 4 (quattro elettroni scambiati per ogni O2).
12) L’efficienza faradica F, cioè la frazione di carica convertita in gas, corrisponde quindi a F = ngas
/ ncarica.
13) Un calcolo analogo si può effettuare come nella scheda E5, considerando il volume teorico di gas
che si dovrebbe sviluppare dall’elettrolisi come prodotto degli equivalenti di carica consumati
per il volume equivalente del gas Vth = (I*t/96500C) * (24000 cm3/2) nel caso dell’idrogeno o Vth
= (I*t/96500C) * (24000 cm3/4) nel caso dell’ossigeno. L’efficienza sarà F = Vgas exp. / Vgas th..
14) Possiamo calcolare anche l’efficienza energetica E, cioè la frazione di energia elettrica
convertita in energia chimica immagazzinata in H2 gassoso. L’energia elettrica consumata
corrisponde a Eel = U(tensione) * Q = U * I * t. L’energia chimica accumulata nell’idrogeno è il
prodotto delle moli di idrogeno per il calore di combustione molare dell’idrogeno ΔH = - 286
kJ/mol. Quindi E = (VH2*ΔH/24000 cm3l-1) / (U*I*t).
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ATTIVAZIONE DELLA CELLA A COMBUSTIBILE
15) Per funzionare in maniera ottimale, la fuel cell deve essere idratata, e questo può essere mentre
la cella eroga corrente. Utilizziamo l’alimentatore e l’elettrolizzatore solo per accumulare
idrogeno ed ossigeno nei serbatoi. Dobbiamo quindi impostare una tensione ottimale in uscita
dall’alimentatore verso l’elettrolizzatore. Per fare questo, ripetiamo l’operazione al punto 1),
verificando che con il selettore impostato ad 1 Ohm la corrente fluisca a non di più di 350 mA.
Colleghiamo quindi l’alimentatore DIRETTAMENTE alla cella, verificando che non si producano
gas ad un ritmo eccessivo. Eventualmente, abbassare un po’ la corrente in uscita
dall’alimentatore.
16) Collegare la cella sia con l’amperometro che con il voltmetro, e alimentarla con i gas in uscita
dall’elettrolizzatore, secondo lo schema seguente:
17) Far lavorare la cella per un po’ di tempo mentre eroga corrente, spostando il selettore
dell’amperometro sui vari carichi. Quando la cella è idratata in maniera ottimale, il potenziale e
la corrente su uno qualsiasi dei carichi devono essere massimi, e mantenersi stabili. Verifichiamo
che sia sempre presente una riserva di H2 e O2 nei serbatoi dell’elettrolizzatore, se se ne
accumulano quantità eccessive possiamo spegnere ogni tanto l’alimentatore.
18) Registriamo la curva di polarizzazione della fuel cell, variando il selettore tra le posizioni open
circuit, 200, 100, 50, 10, 5, 3, 1 Ohm, lamp, motor. In ogni posizioni lasciamo che la situazione si
stabilizzi per circa 30 secondi e poi facciamo la lettura di corrente e voltaggio. NON
IMPOSTIAMO IL SELETTORE SU SHORT CIRCUIT. Ad ogni valore impostato, variano la corrente
erogata dalla cella e la tensione di lavoro. Registriamo le letture fatte in una tabella a quattro
colonne, con una riga per ogni posizione. In questo caso, calcoliamo anche la Potenza (P = I * U)
erogata:
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Posizione
Tensione U /V
Corrente I /A
Potenza P /W
……….
19) Costruiamo un grafico riportando in ascissa la corrente erogata ed in ordinata la tensione di
lavoro. Riportiamo anche il punto open circuit (a corrente 0). Otteniamo la CURVA DI
POLARIZZAZIONE della fuel cell. Verifichiamo la curva ottenuta e forniamo una spiegazione del
perché la tensione diminuisce all’aumentare della corrente. Costruiamo anche la CURVA DI
POTENZA, riportando in ascissa la corrente erogata ed in ordinata la potenza.
LEGGI DI FARADAY ED EFFICIENZA DELLA CELLA A COMBUSTIBILE
20) Verifichiamo ora l’efficienza della cella a combustibile. Senza modificare le connessioni,
impostiamo la resistenza del selettore a open circuit. Produciamo con l’elettrolizzatore una
riserva di gas tale che i livelli di H2 e O2 siano tra 5 e 10 ml, poi spegniamo l’elettrolizzatore.
Annotiamo i livelli iniziali di H2 e O2, che saranno consumati durante il funzionamento della fuel
cell.
21) Azioniamo la cella impostando la resistenza del selettore a 5 Ohm, e contemporaneamente
facciamo partire il cronometro. Annotiamo nel tempo le variazioni di tensione e corrente.
Facciamo procedere l’esperimento finché il volume di H2 arriva a 1ml (di solito circa 5 minuti, se
il consumo è troppo veloce, ripetiamo l’esperimento impostando il selettore ad una resistenza
più alta, diminuendo così la corrente).
Otterremo un report dei dati di questo tipo:
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Esperienze di Laboratorio di Chimica Fisica 1
V H2 iniziale =
V H2 finale =
H2 consumato =
V O2 iniziale =
V O2 finale =
O2 consumato =
Tempo /s
Tensione U /V
Corrente I /A
0
……
Tempo finale
Carica prodotta Q = I * t
22) ATTENZIONE: I volumi di gas possono variare spontaneamente nel sistema a causa di eventuali
perdite e rimescolamenti. È quindi opportuno ‘tarare’ questo fenomeno, verificando quanto
scende ‘spontaneamente’ il livello di H2 nel serbatoio IN ASSENZA DI CIRCOLAZIONE DI
CORRENTE, cioè con fuel cell e elettrolizzatore spenti, per un tempo uguale a quello in cui si è
fatta la misura. Questo valore costituirà –approssitivamente- un ‘bianco’ da sottrarre al volume
di H2 consumato.
23) In base alle leggi di Faraday, gli equivalenti di carica prodotti (in F) devono corrispondere agli
equivalenti di gas consumati. L’efficienza faradica della fuel cell corrisponderà al rapporto tra la
quantità prodotta (F di carica) e la quantità consumata (equivalenti di gas)
24) Gli equivalenti di carica corrispondono a Q = tempo * corrente / F (se la corrente è costante, se
invece varia significativamente durante il funzionamento della cella, come spesso succede, si
possono seguire due vie: a. considerare la corrente media, b. integrare i singoli segmenti
Q1=Δt1*I1, Q2=Δt2*I2, ecc… e poi sommare Qtot=Q1+Q2+…)
25) Gli equivalenti di gas corrispondono al volume consumato / volume equivalente a 20 °C. Per H2
il volume equivalente è 24 litri / 2 (due elettroni scambiati per ogni H2), mentre per O2
corrisponde a 24 l / 4 (quattro elettroni scambiati per ogni O2).
26) L’efficienza faradica F, cioè la frazione percentuale di gas convertito in carica, corrisponde
quindi a F = ncarica / ngas (notare che si invertono numeratore e denominatore rispetto
all’elettrolisi).
27) Un calcolo analogo si può effettuare come nella scheda E7, considerando il volume teorico di gas
che si dovrebbe consumare nel funzionamento della fuel cell, come prodotto degli equivalenti di
carica prodotti per il volume equivalente del gas Vth = (I*t/96500C) * (24000 cm3/2) nel caso
dell’idrogeno o Vth = (I*t/96500C) * (24000 cm3/4) nel caso dell’ossigeno. L’efficienza sarà F =
Vgas th. / Vgas exp.
28) Possiamo calcolare anche l’efficienza energetica E, cioè la frazione di energia chimica
convertita in energia elettrica. L’energia elettrica prodotta corrisponde a Eel = U(tensione) * Q =
U * I * t (anche qui possiamo prendere U media e I media, o integrare in più segmenti per i vari
valori assunti da U e I durante il funzionamento e poi sommare). L’energia chimica consumata è
il prodotto delle moli di idrogeno per il calore di combustione dell’idrogeno ΔH = - 286 kJ/mol.
Quindi E = (U*I*t) / (VH2*ΔH/24000 cm3l-1)
29) ATTENZIONE: L’efficienza della cella a combustibile può variare molto in base all’idratazione,
quindi ripetere la sua misura per 3 volte per: (a) verificare se migliora, (b) calcolare un valore
medio. Tra una misura e l’altra, far lavorare la cella in continuo per migliorare la sua idratazione,
ed accumulare gas sull’elettrolizzatore.
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