Od baterii z Bagdadu do ogniw paliwowych

Transkrypt

1 Od baterii z Bagdadu do ogniw paliwowych Sławomir Domagała Akademia Ciekawej Chemii

2 OGNIWA OGNIWA ELEKTROCHEMICZNE OGNIWA GALWANICZNE OGNIWA ELEKTROCHEMICZNE: Procesy elektrodowe nie są samorzutne są wymuszane przepływem prądu z zewnętrznego źródła napięcia (elektroliza) OGNIWO GALWANICZNE: Procesy elektrodowe przebiegają samorzutnie układ dwu półogniw, w których kosztem energii chemicznej powstaje energia elektryczna

3 Rodzaje ogniw galwanicznych Ogniwa dzielimy na pierwotne i wtórne. Pierwotne po wyczerpaniu nie nadają się do dalszego użytkowania, np. ogniwo Lecklanche'go Wtórne można regenerować przez ładowanie np. akumulatory

4 Ogniwo galwaniczne układ dwu elektrod (półogniw) zanurzonych w elektrolicie zamieniający bezpośrednio energię chemiczną na energię elektryczną prądu stałego proces ten następuje w wyniku reakcji elektrochemicznych (tzn. reakcji chemicznych z oddawaniem lub przyłączaniem elektronów)

5 Ogniwo składa się z: dwóch różnych elektrod zanurzonych w tym samym roztworze elektrolitu lub dwóch identycznych elektrod zanurzonych w różnych roztworach. elektrody są połączone tak, że możliwy jest przepływ prądu elektrycznego po zamknięciu obwodu zewnętrznego przewodnikiem jony powstałe w wyniku dysocjacji powodują powstawanie na powierzchniach elektrod podwójnych warstw elektrycznych dlatego elektroda zyskuje pewien potencjał względem roztworu

6 ogniwo posiada dwa bieguny: "+" katoda "-" anoda na ujemnym biegunie baterii zbierają się elektrony jeżeli połączymy przewodem biegun ujemny z dodatnim - elektrony będą przemieszczać się z bieguna ujemnego do dodatniego prąd płynie w stronę przeciwną! bateria wyczerpie się szybko katoda anoda

7 Siła elektromotoryczna ogniwa - SEM różnica potencjałów dwóch półogniw otwartego ogniwa elektrochemicznego (przez ogniwo nie płynie prąd, znajduje się ono w stanie równowagi) SEM = E katody - E anody źródłem SEM są reakcje przebiegające w półogniwach SEM zależy od aktywności jonowej składników półogniw, temperatury i ciśnienia katoda charakteryzuje się zawsze wyższym potencjałem!!

8 prąd płynąc w obwodzie pokonuje: opor zewnętrzny R opor wewnętrzny rźrodła napięcia. prawo Ohma dla całego obwodu przyjmuje postać: SEM = I R + I r U = I R jest to tzw. spadek potencjału na oporze zewnętrznym czyli napięciu na biegunach źrodła SEM = U + I r U = SEM - I r

9 SEM = U + I r U = SEM - I r różnica potencjałow między zaciskami źródła jest mniejsza od jego SEM napięcie tym mniej różni się od siły elektromotorycznej SEM im mniejsze jest natężenie prądu I w obwodzie dlatego: używając do pomiaru jakiegokolwiek woltomierza (oprócz elektrostatycznego) powodujemy przepływ prądu przez ogniwo, i woltomierz wskazuje mniejsze napięcie niż wynosi SEM ogniwa

10 Półogniwo - układ, w którym istnieje równowaga pomiędzy dwoma różnymi co do stopnia utlenienia formami tej samej substancji Na powierzchni metalu ustala się stan równowagi Cu Cu e -

11 Katoda - elektroda, na której zachodzi proces redukcji (pobierania elektronów z elektrody) Anoda - elektroda, na której zachodzi proces utleniania (dostarczanie elektronów do elektrody). Reakcje zachodzące na elektrodach: K: oks1 + n1e red1 A: red2 oks2 + n2e n2oks1 + n1red2 n2red1 + n1oks2

12 Potencjał półogniwa potencjał półogniwa (mierzony względem standardowej elektrody wodorowej) można obliczyć za pomocą równania Nernsta: 0 E = E + RT a ln nf a E 0 - potencjał standardowy (wielkość charakterystyczna dla danego układu), R - stała gazowa, J/mol K T - temperatura w skałi Kelvina, F - stała Faraday'a (96450 C), n - liczba elektronów przenoszonych w reakcji red-ox. po podstawieniu stałych liczbowych i zamianie ln na log otrzymujemy: utl red 0 E = E a log n a utl red gdy: a utl = [utl] i a red = [red] E = E n log [utl] [red]

13 W większości urządzeń raczej nie używamy pojedynczego ogniwa. Ogniwa łączymy: rownolegle - dla uzyskania wyższych prądow szeregowo - dla uzyskania wyższego napięcia w połączeniu rownoległym - uzyskujemy sumę prądow z ogniw składowych W połączeniu szeregowym sumę napięć połączonych ogniw

14 Historia pierwsze ogniwa galwaniczne znane były już w III w p.n.e. znalezisko z 1936 r. w Chudżat Rabua (koło Bagdadu) - niemiecki archeolog Wilhelm König naczynie z gliny zatkane asfaltowym korkiem wewnątrz znajdował się skorodowany miedziany walec a w nim żelazny pręt

15 lata 60-te XX wieku znaleziono podobne przedmioty w okolicach Bagdadu zrekonstruowano owe hipotetyczne ogniwa wypełniono je roztworami kwasów znanych w Mezopotamii w tamtych czasach roztworami kwasu octowego i cytrynowego baterie zaczęły działać! zastosowanie: bagdadzcy złotnicy używali własnych ogniw do złocenia małych przedmiotów

16 Historia nowożytna ogniw galwanicznych

17 Luigi Galvani ( ) Włoski lekarz, fizyk i fizjolog. Profesor Uniwersytetu w Bolonii. Prekursor badań elektrofizjologicznych.

18 Strona z notatnika Galvaniego W 1786 roku Galvani dokonał słynnego odkrycia przy jednoczesnym dotknięciu mięśnia wypreparowanej kończyny żaby dwoma różnymi metalami - połączonymi ze sobą jednym końcem - mięsień kurczy się

19 Pierwsze ogniwa galwaniczne (ogniwa kwasowe) -Volty -Zamboniego -Daniela -Clarka -Bunsena -Westona -Plantego -Leclanchego

20 Pila di Volta

21 Alessandro Volta ( ), fizyk, profesor na uniwersytetach w Como i Pavii we Włoszech. Jako pierwszy zbudował ogniwo galwaniczne.

22 Ogniwo Volty U = 1,1 V blaszki Zn i Cu zanurzone w wodnym roztworze H 2 SO 4 - Zn H 2 SO 4 Cu + Anoda (-) Zn Zn e- Katoda (+) 2H + + 2e - H 2 Pila di Volta

23 Alessandro Volta prezentuje ogniwo Napoleonowi (obraz G. Bertiniego z 1897 r.) muzeum Volty w Como W 1801 roku, w Paryżu Volta zademonstrował swoją baterię przed Napoleonem w dowód uznania Voltę został hrabią i senatorem Królestwa Lombardii W 1881 r. dla uczczenia jego pamięci jednostkę siły elektromotorycznej płynącego prądu nazwano woltem

24 Ogniwo Zamboniego

25 Giuseppe Zamboni , ur. i zm. w Wenecji) fizyk na Uniwersytecie w Veronie Verona

26 Stos Zamboniego (tzw. suchy stos Duluc) rodzaj "baterii elektrostatycznej papierowe dyski powleczone folią Ag lub Zn z jednej strony oraz MgO z drugiej jako lepiszcze stosowano miód Dyski ok 20 mm średnicy są składane w stosy, po kilka tysięcy warstw, a następnie skompresowane w szklanej tubie generuje napięcia rzędu kilku tysięcy woltów ale natężenie prądu jest tylko rzędu nanoamperów w latach 80tych XX wieku stosowane lampach kineskopowych oxfordzki dzwon elektryczny od 1840 roku jest zasilany stosami Zamboniego

27 Ogniwo Daniella

28 John Frederic Daniell ( ) chemik i fizyk angielski oprócz ogniwa, wynalazł higrometr barometr wodny Chapel on the Strand Campus The Maughan Library on Chancery Lane is the College's main library

29 Ogniwo Daniella U = 1,103 V płytka Zn zanurzona w ZnSO 4 płytka Cu zanurzona w roztworze CuSO 4 oba półogniwa nie stykają się ze sobą bezpośrednio są połączone kluczem elektrolitycznym - najczęściej wykonanym z roztworu (KCl) w agarze klucz elektrolityczny: zapobiega mieszaniu się roztworów elektrolitów oraz zapobiega gromadzeniu się nadmiaru ładunku na anodzie: Zn (s) Zn 2+ (aq) + 2e - na katodzie: Cu 2+ (aq) + 2e - Cu (s)

30 Ogniwo Clarka

31 Ogniwo Clarka (1873) U = 1,434 V (15 0 C ) anoda Zn lub amalgamat cynku, katoda Hg, rtęć w nasyconym roztworze ZnSO 4 + stały ZnSO 4 Zalety: wytwarza stabilne napięcie szczególnie użyteczne w pracy laboratoryjnej Zn/ZnSO 4,sat [ZnSO 4 x H 2 O][Hg 2 SO 4 ]/Hg + podczas pracy rozładowania zachodzi reakcja: Zn + Hg 2 SO 4 ZnSO 4 + 2Hg.

32 Ogniwo Bunsena

33 Ogniwo Bunsena (1841) U= 1,7 V A (katoda) - ceramiczne naczynie, w którym znajduje się cylindryczna płytka cynkowa (Zn) B (anoda)- wewnątrz katody umieszczone jest ceramiczne naczynie, w którym jest grafitowy pręt Ceramika wewnętrznego naczynia jest porowata, zapewnia przepływ prądu ogranicza mieszanie elektrolitu z depolaryzatorem elektrolitem jest roztwór H 2 SO 4 (10%) depolaryzatorem elektrody węglowej jest HNO 3 anoda Zn (s) Zn 2+ (aq) + 2e - katoda NO H + + 3e - NO + 2H 2 O E=-0.76 V E=0.96 V 3Zn + 8H + + 2NO 3-3Zn NO + 4H 2 O E=1.72 V W procesie utleniania Zn na anodzie i redukcji HNO 3 na katodzie wytwarza się bezbarwny NO i szybko przekształca się w kontakcie z powietrzem w brunatny NO 2

34 Niedoskonałości pierwszych ogniw galwanicznych 1. zbieranie się na elektrodzie miedzianej pęcherzyków H 2, które zmniejszały jego reagującą powierzchnię 2. wytrącanie się osadu ZnSO 4 na płytce Zn 3. stały wzrost oporu wewnętrznego ogniwa i zmniejszenie napięcia na jego biegunach

35 Rozwiząniem tych problemów zajął się - francuski chemik, Georges Leclanché zastąpił on płytkę Cu - prętem grafitowym pozostawił Zn jako biegun ujemny jako elektrolitu użył stężonego roztworu NH 4 Cl

36

37 Georges Leclanché ( ), chemik francuski, ukończył Oxford i École Centrale Paris École Centrale Paris laboratorium Leclanché go rue de Bellefond/ rue de Laval w Paryżu

38 Katoda w ogniwie Leclanché Elektroda Grafitowa Płócienny woreczek Dwutlenek manganu

39 ogniwo Leclanche biegunem ujemny obudowa Zn biegun dodatni pręt grafitowy w MnO 2 elektrolit pasta NH 4 Cl, ZnCl 2, H 2 O i ziemia okrzemkowa

40 Anoda (elektroda Zn) Zn Zn e - Katoda (elektroda węglowa): redukcja jonów amonowych 2NH e- 2NH 3 + H 2 powstający amoniak jest wiązany przez Zn 2+ Zn NH 3 [Zn(NH 3 ) 4 ] 2+ powstający H 2 jest wiązany przez MnO 2, który pełni rolę depolaryzatora 2MnO 2 + H 2 Mn 2 O 3 + H 2 O

41 Ogniwo Westona

42 Edward Weston angielski chemik Oswestry, Anglia

43 Ogniwo Westona U= 1,0185-1,0187 V elektroda dodatnia Hg elektroda ujemna - amalgamat Cd elektrolit - nasycony roztwór CdSO 4 Cd + Hg 2 SO 4 CdSO 4 + 2Hg Cd + Hg 2+ 2 Cd Hg nad rtęcią znajduje się pasta z Hg 2 SO 4 utarta z CdSO 4 oraz z Hg w obu rurkach znajdują się także kryształy CdSO 4 całość wypełniona jest wodnym roztworem CdSO 4 przewężenia zapobiegają przemieszczaniu się roztworów

44 Ogniwo Westona - zastosowanie wzorzec jednostki miary napięcia elektrycznego

45

46 Raymond Gaston Planté ( ) fizyk i chemik francuski

47 AKUMULATOR OŁOWIOWY U = 2,23 V odnawialne źródło prądu elektrycznego Pb H 2 SO 4 PbO 2 Pb ANODA: Pb (staly) + HSO 4- + H 2 O PbSO 4(stały) +2e + H 3 O + KATODA: PbO 2(stały) + HSO H 3 O + + 2e PbSO 4(stały) + 5 H 2 O sumaryczna reakcja: rozładowanie Pb + PbO H 2 SO 4 2 PbSO H 2 O ładowanie

48 SEM akumulatora ołowiowego: E = E = E RT 2F ln a RT ah ln F a 2 H 4 H SO 2 O + 4 a 2 H a 2 2 O SO 2 4 = pierwsze ładowanie akumulatora: na anodzie: A (+) Pb + 2 H 2 O PbO H + + 4e - elektroda pokrywa się stopniowo osadem PbO 2 obfite wydzielanie się gazu na anodzie, jest oznaką naładowania akumulatora: A (+) 2 H 2 O O H + + 4e - na katodzie ulegają redukcji kationy wodorowe: K (-) 4 H + + 4e - 2 H 2

49 praca ogniwa - pobierania prądu z ogniwa ołowiana anoda reaguje z kwasem siarkowym, tworząc osad PbSO 4 A (-) Pb + H 2 SO 4 PbSO H + + 2e - na katodzie w miejsce PbO 2 wytrąca się osad PbSO 4 K(+) PbO 2 + H 2 SO H + + 2e - PbSO H 2 O gęstość elektrolitu zmniejsza się dodatnia podczas ładowania anoda staje się dodatnią katodą, powstający osad PbSO 4 zwiększa opór wewnętrzny ogniwa, zmniejszając jego SEM

50 ponowne ładowanie akumulatora: A (+) PbSO H 2 O PbO 2 + H 2 SO H + + 2e - K (-) PbSO H + + 2e - Pb + H 2 SO 4 podczas ponownego ładowania gęstość elektrolitu rośnie pełne naładowanie akumulatora wiąże się z intensywnym wydzielaniem gazów, związanym z elektrolizą wody

51 Bezobsługowe akumulatory kwasowo-ołowiowe VRLA (valve regulated lead acid) wykonywane w dwóch technologiach: AGM - (Absorbed Glass Mat) elektrolit jest uwięziony w separatorach z włókna szklanego o dużej porowatości, Żelowej (Gel) elektrolit jest w postaci żelu, powstałym po wymieszaniu kwasu siarkowego z krzemionką

52 Zalety akumulatorów VRLA (w stosunku do tradycyjnych): - są przyjazne dla środowiska - nie wymagają uzupełniania elektrolitu - posiadają niższą oporność wewnętrzną niż konwencjonalne akumulatory -są dużo mniejsze i prawie połowę lżejsze od konwencjonalnych akumulatorów - są bezpieczne i łatwe w użyciu, w ciągłej gotowości do pracy. Zastosowanie: - Pojazdy elektryczne - Elektrownie wiatrowe - Jachty, łodzie - Wózki inwalidzkie - Maszyny czyszczące - Maszyny transportowe i podnoszące - Wózki golfowe

53 NOWOCZESNE AKUMULATORY ALKALICZNE AKUMULATOR ŻELAZOWO NIKLOWY (Fe Ni) AKUMULATOR NIKLOWO KADMOWY (Ni Cd) AKUMULATOR CYNKOWO SREBROWY (Zn Ag) AKUMULATOR NIKLOWO CYNKOWY (Ni Zn)

54 AKUMULATOR ŻELAZOWO NIKLOWY (U = 1,40 V) (akumulator Edisona lub NiFe) zbudowany jest z płyt stalowych elektroda dodatnia : wodorotlenek niklu, nikiel i grafit elektroda ujemna sproszkowane Fe i Cd płyty dodatnie połączone są ze stalową obudową akumulatora Elektrolit 21% roztwór KOH lub LiOH Fe KOH NiO(OH) Ni rozładowanie Fe + 2 NiOOH + 2 H 2 O 2Ni(OH) 2 + Fe(OH) 2 ładowanie

55 AKUMULATOR NIKLOWO - KADMOWY (U = 1,35 1,40 V) katoda- NiO(OH) anoda -metaliczny kadm Cd KOH NiO(OH) Ni anoda: Cd + 2OH - Cd(OH) 2 + 2e - katoda: NiO(OH) + H 2 O + e - Ni(OH) 2 + OH - sumaryczna reakcja elektrodowa: rozładowanie Cd + 2 NiO(OH) + 2 H 2 O 2 Ni(OH) 2 + Cd(OH) 2 ładowanie

56 AKUMULATOR CYNKOWO SREBROWY (U = 1,85 V) opracowany w 1941 roku lub Zn KOH + K 2 ZnO 2 AgO lub Ag 2 O Ag (-)Zn (s) KOH (aq) (30-40%) Ag 2 O (s) Ag(+) Anoda Zn (s) + 4OH - (aq) [Zn(OH) 4 ] 2- (aq) + 2e - Katoda Ag 2 O (s) + H 2 O (c) + 2e - 2Ag (s) + 2OH - (aq) rozładowanie 2 Zn + 2Ag 2 O + 4 KOH 2 K 2 ZnO Ag H 2 O ładowanie

57 Najnowsze ogniwa reakcje połówkowe półogniw o skrajnych wartościach potencjałów standardowych red-ox: elektroda E 0, V she Li Li + + e - 3,045 Na Na + + e - 2,714 Mg Mg e - 2,363 Ag Ag + + e + 0,799 Cl e 2Cl - + 1,359 F e 2F - + 2,870

58 Daje to następujące możliwości zestawiania ogniw: 2 Li + F 2 2 LiF E 0 = 6,05 V (!!) 3Li + CoF 3 3 LiF + Co E 0 = 3,64 V Ca + CuF 2 CaF 2 + Cu E 0 = 3,51 V takie zestawienie bardzo aktywnych pierwiastków wymaga całkowicie niewodnych roztworów i doskonałych złączy elektrycznych zapewniają to hermetyczne kapsuły i elektrolity na bazie rozpuszczalników niewodnych takich jak: węglan propylenu (PC), dimetylosulfotlenek (DMSO) itp.

59 Wady ogniw alkalicznych 1. zużyte są niebezpieczne dla środowiska 2.zbyt mały zysk dla firm je produkujących akumulator jest bardzo trwały, a cena nie jest wysoka 3.mają niższą pojemność i większą masę od nowocześniejszych ogniw 1.są stosunkowo tanie Zalety 2. mogą być używane w ciężkich warunkach a także w środowiskach zagrożonych wybuchem 3.są odporne na złe warunki pracy czyli wysoką temperaturę (40 C) i przeładowania 4.nie mają tendencji do eksplozji przy wysokiej temperaturze

60 Ogniwa litowe

61 ogniwa litowe anoda katoda Li metaliczny w formie pasty ze sproszkowanego: MnO 2 (Li-Mn, "CR"), SOCl 2, BrCl, Li-BCX, SO 2, (CF) x ("BR") I 2, Ag 2 CrO 4, Ag 2 V 4 O 11 SVO, CSVO, CuO, Cu 4 O(PO 4 ) 2 CuS, PbCuS, FeS, FeS 2 Bi 2 Pb 2 O 5, Bi 2 O 3, V 2 O 5, CoO 2, CuCl 2, MnO 2 zmieszanych z grafitem i zanurzonych w ciekłym roztworze elektrolitu: elektrolit: jodek litu (LiI) rozpuszczalniki: węglan propylenu, dioksolan, dimetoksyetan Zalety: są odporne na temperatury od -35 do +60 st. C mają bardzo długi - bo aż 15 letni okres przydatności do użytku producenci baterii litowych twierdzą, że można nimi wykonać do 7 razy więcej zdjęć niż tradycyjnymi bateriami alkalicznymi

62 Sztuczny rozrusznik serca (stymulator serca, kardiostymulator) W Polsce żyje ponad osób z wszczepionym kardiostymulatorem, liczbę wszczepień szacuje się na 9500 rocznie

63 Ogniwa litowo-jonowe

64 Ogniwo litowo-jonowe U=3,6 V materiał katodowy LiCoO 2 LiMn 2 O 4 LiNiO 2 LiFePO 4 Li 2 FePO 4 F potencjał 3.7 V 4.0 V 3.5 V 3.3 V 3.6 V LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O V Li(Li a Ni x Mn y Co z )O V materiał anodowy potencjał anoda: katoda: związli Li z C (grafitem), Ti, Si, Ge tlenki metali Grafit (LiC 6 ) V Elektolity sole litu : LiPF 6, LiBF 4 or LiClO 4 Rozpuszczalniki : węglan etylenu, dimetylu i dietylu Tytan (Li 4 Ti 5 O 12 ) Si (Li 4.4 Si) Ge (Li4.4Ge) 1-2 V V V

65 Działanie ogniwa litowo-jonowego anoda xli + - xe- + 6C Li x C 6 katoda LiCoO 2 Li x-1 CoO 2 + xli + + xe - Ograniczenia: Nadmierne rozładowanie powoduje powstanie Li 2 O i CoO Li + + LiCoO 2 LiO 2 + CoO Nadnierne przeładowanie (do 5.2 V) prowadzi do utworzenia tlenku kobaltu(iv) LiCoO 2 Li + + CoO 2 Akumulator litowo-jonowy, Varta

66 Ogniwa paliwowe

67 Ogniwo paliwowe jest urządzeniem pozwalającym na ciągłą przemianę energii chemicznej paliwa w energię elektryczną oraz ciepło

68 Historia 1838 odkrycie przez szwajcarskiego chemika Christiana Schönbeina zasady działania ogniw paliwowych 1839 stworzenie przez walijskiego naukowca, sir Williama Grove pierwszego działającego ogniwa Lata 60-te XX wieku pierwsze praktyczne wykorzystanie ogniw paliwowych w czasie programów Sojuz, Apollo, Gemini, Skylab do produkcji energii elektrycznej i wody pitnej Specjaliści oceniają, że zastąpienie tradycyjnych metod wytwarzania energii elektrycznej z węgla przez ogniwa paliwowe powinno zmniejszyć emisję: dwutlenku węgla o 40% - 60%, tlenków azotu o 50% - 90%.

69 anoda i katoda rozdzielone są elektrolitem, który przepuszcza tylko dodatnio naładowane jony H + elektrody pokryte są warstwą katalizatora do anody dostarczane jest paliwo w postaci wodoru H 2 wlot H 2 wylot obecność katalizatora powoduje jonizację atomów wodoru - uwolnienie elektronów elektrony te przepływają przez obwód elektryczny na drugą stronę elektrolitu - do katody Zasada działania ogniwa paliwowego H H H H e - H + H + e - e - H H+ + e - Anoda 100 mm e - H + H + H + H + Membrana 480 mm O O H 2 O Katoda 10m m H 2 O O O 2cm H 2 O/O 2 wylot Grafitowa obudowa Kontrol temp. i ciśnienia O 2 wlot Porowata warstwa transportowa anoda: H 2 2H + + 2e -

70 e - H 2 H 2 wlot wylot H H H H e - H+ H+ e - e - H+ H+ e - H+ H+ H+ H+ O O H 2 O H 2 O O O H 2 O/O 2 wylot Grafitowa obudowa Kontrol temp. i ciśnienia O 2 wlot Porowata warstwa transportowa Anoda 100 mm Membrana 480 mm Katoda 10mm 2cm elektrony, które docierają do katody, pod wpływem warstwy katalitycznej, jonizują atomy tlenu jony tlenu O 2- łączą się z protonami tworząc cząsteczki wody katoda: O 2 + 4H + + 4e- 2H 2 O

71 Rodzaje ogniw paliwowych Ogniwa alkaliczne (AFC Alkaline Fuel Cell) Ogniwa polimerowe (PEMFC Polimer Electrolyte Membrane Fuell Cell) Ogniwa z kwasem fosforowym jako elektrolitem (PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell) Ogniwa węglanowe (MCFC Molton Carbonate Fuel Cell) Ogniwa tlenkowo-ceramiczne (SOFC Solid Oxide Fuel Cell)

72 Podział ogniw paliwowych Rodzaj ogniwa Elektrolit Paliwo Temperatura pracy Sprawność Zastosowania Ogniwa alkaliczne (AFC Alkaline Fuel Cell) Roztwór KOH (35-50%) Czysty H o C 35-55% Transport, astronautyka Ogniwa polimerowe (PEMFC Polimer Electrolyte Membrane Fuell Cell) Membrana polimerowa (np. Nafion) Czysty H 2 (dopuszczalna zawartość CO 2 ) o C 35-45% Transport, astronautyka, energetyka Ogniwa z kwasem fosforowym jako elektrolitem (PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell) Kwas fosforowy o dużym stężeniu Czysty H 2 (dopuszczalna zawartość CO 2 i CO do 1%) Energetyczne o C 40% źródła rozproszone Ogniwa węglanowe (MCFC Molton Carbonate Fuel Cell) Stopiona mieszanina węglanów litu i sodu, lub litu i potasu H 2, CO, CH 4, inne węglowodory (dopuszczalna zawartość CO 2 ) o C >50% Energetyka Ogniwa tlenkowoceramiczne (SOFC Solid Oxide Fuel Cell) Dwutlenek cyrkonu stabilizowany itrem H 2, CO, CH 4, inne węglowodory (dopuszczalna zawartość CO 2 ) o C >50% Energetyka

73 Alkaliczne Ogniwo Paliwowe- Alkaline Fuel Cell(AFC) Utlenienie wodoru na anodzie: H 2 + 2OH - 2H 2 O + 2e - Redukcja tlenu na katodzie: O 2 + 2H 2 O + 4e 4OH - pierwsze nowoczesne ogniwo paliwowe szeroko stosowane w amerykańskim programie kosmicznym Apollo Elektrolit to stężony (85% wag.) KOH Redukcja tlenu w środowisku zasadowym jest dużo szybsza niż w kwaśnym 1: wodór 2:kierunek przepływu elektronów 3:odbiornik prądu 4:tlen 5:katoda 6:Electrolyte 7:anoda 8:woda 9:iony OH -

74 Alkaliczne Ogniwo Paliwowe Alkaline Fuel Cell(AFC) Ogniwo z programu kosmicznego Apollo U=0,78 V (pojedynczego ogniwa), U=27-31 V (baterii), I=800 ma/cm2, moc maksymalna do 1,42 kw, 57 cm, wysokość 1,12 m i masa 110 kg. Wymagają paliwa o dużej czystości Są czułe na obecność CO i CO 2 w utleniaczu (powietrzu)

75 Alkaliczne Ogniwo Paliwowe Alkaline Fuel Cell(AFC) Ogniwo z promu kosmicznego Discovery U=1,23 V (pojedynczego ogniwa), U=45-72 V (baterii), Wymagają paliwa o dużej czystości Są czułe na obecność CO i CO 2 w utleniaczu (powietrzu)

76 Ogniwa DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) Charakteryzują się niską temperaturą zachodzącej reakcji Przeznaczone są do zasilania urządzeń przenośnych (np. notebooki, telefony komórkowe) oraz do wykorzystania w transporcie

77 Ogniwa DMFC - (Direct Methanol Fuel Cell) ANODA: CH 3 OH + H 2 O CO H + + 6e E 0 = 0,016 V she CO 2 usuwany przez pochłaniacze, protony migrują przez membranę do przestrzeni katodowej, w której zachodzi reakcja typowa dla elektrody tlenowej: KATODA: O H + + 4e 2 H 2 O E 0 = 1,229 V she

78 Zalety ogniw paliwowych Wysoka sprawność produkcji energii elektrycznej Niski poziom hałasu Możliwość stosowania różnych rodzajów paliw Technologia bezpieczna dla środowiska naturalnego (H 2 O, CO 2) Nie istnieje problem emisji tlenków siarki i azotu (występują w śladowych ilościach) Brak ruchomych części pracujących w trudnych warunkach Możliwość ciągłej pracy (o ile jest dostęp do paliwa i utleniacza)

79 Wady ogniw paliwowych Niskie napięcie prądu uzyskiwane z pojedynczego ogniwa (<1V) Drogie materiały na katalizatory Stosunkowo niewielkie moce uzyskiwane z modułu Produkcja jedynie prądu stałego (czasami jest to zaletą) Podatność na wpływ zanieczyszczeń zawartych w paliwie Trudności z produkcją, magazynowaniem i dystrybucją paliwa (wodoru)

80 Zastosowania generatory energii elektrycznej generatory ciepła CHP, elektrownie małej mocy

81 Instalacja 250 kw ogniwa na gaz ziemny w Oberhausen w Niemczech w 2002 roku.

82 Ogniwo paliwowe oparte na stopionych węglanach - Molten carbonate fuel cell (MCFC) Anchorage (Alaska)

83 ZASTOSOWANIA W TRANSPORCIE Hybrydowy samochód z ogniwem paliwowym Austin A40 zbudowany przez Karla Kordescha (Austria) w Samochód GM Opel Zaphira z ogniwem paliwowym

84 ZASTOSOWANIE W PRZENOŚNYCH UKŁADACH Laptopy, telefony przenośne, ręczne kamery Do tych zastosowań wymyślono nowe ogniwo Miniature Direct Methanol Fuel Cell (DMFC), - miniaturowe ogniwo paliwowe z bezpośrednim zasilaniem metanolem

85 Podsumowanie Podział ogniw: elektrochemiczne i galwaniczne ogniwa galwaniczne: pierwotne i wtórne Pierwsze ogniwa galwaniczne ogniwa kwasowe Volty, Daniela, Clarka, Plantego, Leclanchego Ogniwa alkaliczne Ogniwa litowe i litowo jonowe (rozpuszczalniki niewodne i elektrolity) Ogniwa paliwowe perspektywy wykorzystania źródeł energii w przyszłości: zwiększaniem ich wydajności produkcji energii na masową skalę, redukcji zanieczyszczeńśrodowiska, spowodowanych pracą konwencjonalnych elektrowni węglowych.

86 Bibliografia 1) T. Chmielniak Technologie energetyczne 2) A. Czerwiński, Akumulatory baterie ogniwa, WKL ) Z. Rogulski, A. Czerwiński, Zbiórka i recykling akumulatorów i baterii w Europie, cz. I, Przemysł Chemiczny,83(4) (2004) , 4) Z. Rogulski, A. Czerwiński, Zbiórka i recykling akumulatorów i baterii 4) Z. Rogulski, A. Czerwiński, Zbiórka i recykling akumulatorów i baterii w Europie, cz. II, Przemysł Chemiczny, 84(4) (2004) ,

87 Dziękuję za uwagę