Ogniwa paliwowe FIZYKA 3 MICHAŁ MARZANTOWICZ. Wykorzystanie wodoru jako nośnika energii

Transkrypt

1 Ogniwa paliwowe Wykorzystanie wodoru jako nośnika energii

2 Ogniwa paliwowe Zasada działania ogniwa zasilanego wodorem

3 Rodzaje ogniw ogniwo z membraną przewodzącą protonowo (ang. Proton-exchange membrane fuel cell - PEMFC), odwracalne ogniwo paliwowe (ang. Reversible Fuel Cell), bezpośrednie ogniwo metanolowe (ang. Direct-methanol fuel cell), ogniwo paliwowe z zestalonym elektrolitem tlenkowym (ang. Solid-oxide fuel cells), ogniwo paliwowe ze stopionymi węglanami (ang. Molten-carbonate fuel cells), ogniwo paliwowe oparte na kwasie fosforowym (ang. Phosphoric-acid fuel cells), alkaliczne ogniwo paliwowe (ang. Alkaline fuel cells). średniotemperaturowe ogniwo tlenkowe intermediate temperature SOFC rurowe tlenkowe ogniwo paliwowe (tubular SOFC)

4

5 Przygotowanie paliwa - reforming

6 Rodzaje paliw i reakcja na składniki paliwa

7 Sprawność ogniw paliwowych

8

9 Potencjał ogniwa otwartego

10 Siła elektromotoryczna ogniw

11 Siła elektromotoryczna ogniw

12 Siła elektromotoryczna ogniw Temperatura pracy ogniwa ma zapewniać zarówno odpowiednią przewodność jonową, jak i stabilność elektrochemiczną.

13 Zastosowania 21 sierpnia 1965 r. Gemini 5 jest pierwszym statkiem kosmicznym wykorzystującym ogniwo paliwowe z membraną polimerową zamiast baterii. 1966: General Motors Electrovan: pierwszy pojazd drogowy napędzany ogniwami. Marzec Toyota przedstawia prototyp FCHV- 3 Toyotę Highlander czerpiącą energię wyłącznie z ogniwa wodorowego.

14 Zastosowania Honda FCX Clarity: moc 100 kw, zasięg 372 km, Vmax 160 km/h Toyota Mirai: moc 113 kw, zasięg 480 km, Vmax 180 km/h

15 Zastosowania Hydrogen Challenger, 1967 produkuje wodór i wykorzystuje go do napędu. Łódź podwodna typu 214 ogniwa paliwowe zapewniają cichy napęd. Napęd hybrydowy (diesel).

16 Zastosowania King County, Waszyngton, USA, rok Otwarcie elektrowni o mocy 1MW, opartej na ogniwach paliwowych. Elektrownia wykorzystuje biogaz (metan) z oczyszczalni ścieków.

17 Superkondensatory 1. Budowa, zasada działania, modele fizyczne 2. Materiały stosowane w superkondensatorach 3. Zastosowania

18 Kondensatory Pojemność elektryczna C = Q U U = D 0 E( x) dx Kondensator płaski Sεε C = 0 D Rozdzielając ładunki wykonujemy pracę gromadzimy energię elektryczną. 2 2 q Q CU W EL = Vdq = dq = = = C 2C 2 QU 2

19 Kondensatory elektrolityczne pojemności elektryczne do 1F niewielkie rozmiary niska cena upływność ładunku degradacja elektrolitu degradacja elektrod wrażliwe na zmianę polaryzacji wrażliwe na zmiany temperatury

20 Superkondensatory

21 Rodzaje superkondensatorów

22 Zasada działania

23 Ładowanie superkondensatora

24 Warstwa podwójna 1 warstwa (adsorpcyjna) : adsorpcja na powierzchni 2 warstwa (dyfuzyjna) : siły kulombowskie

25 Modele warstwy podwójnej Helmholtz Guoy-Chapman Stern

26 Kondensatory typu DLC Grubość warstwy podwójnej zależy od rodzaju rozpuszczalnika, jonów i ich stężenia do 10 nm

27 R.A. Marcus Nobel 1992 Model opisuje szybkość procesu przeskoku elektronów pomiędzy cząsteczkami. Reakcje typu redox bez wytwarzania wiązań chemicznych. Gromadzenie ładunku na skutek takich procesów redox określa się jako pseudopojemność, a proces jako adsorpcję fizyczną.

28 Materiały: elektrody Wymagania: -Duża powierzchnia - Wysoka przewodność -Stabilność chemiczna i termiczna - Odpowiednie właściwości mechaniczne - Niski koszt wytwarzania Nanomateriały

29 Materiały: elektrody Małe rozmiary porów wpływają na właściwości otoczki (solvation shell) jonu i pozwalają zbliżyć się do elektrod.

30 Elektrody węglowe kondensatory DLC

31 Pseudopojemność: tlenki metali Struktury o dużej powierzchni (również kontaktu z elektrolitem), umożliwiające jednocześnie dyfuzję w elektrolicie. Na elektrodach zachodzą reakcje redox z fizyczną adsorpcją. RuO 2 TiO 2 VO 2 MoO 2, NiO 2 CoO 2 MnO 2 SnO 2 LiO 2 Tlenek kobaltu (Co 3 O 4 )

32 Elektrody: polimery

33

34 Materiały: Elektrolity - Wysoka przewodność -Stabilność elektrochemiczna (szeroki zakres tzw. okna stabilności) -Zwilża powierzchnię elektrod - Bezpieczeństwo użytkowania Ciekłe: wyższe przewodności niższe koszty parowanie i zamarzanie możliwość wycieku napięcia do 1V Stałe: 10 x niższe przewodności gorzej penetrują elektrody stabilne mechanicznie stabilne elektrochemicznie bezpieczne

35 Materiały: separator - Zapobiega występowaniu zwarć -Umożliwia wymianę jonów Separatory polimerowe/celulozowe w elektrolitach organicznych Separatory ceramiczne w elektrolitach ciekłych

36 Materiały: elektrody doprowadzające Zastosowanie superkondensatorów w urządzeniach o dużej mocy wymaga odpowiedniego rozprowadzenia prądu. - elektrody aluminiowe - elektrody węglowe (grafen, nanorurki) - elektrody platynowe lub złote

37 Model elektryczny

38 Model elektryczny Jony wędrują w porowatej strukturze. Dotarcie do wewnętrznych części porów materiału elektrodowego wymaga długiego czasu ładowania.

39 Model elektryczny Dystrybucja stałych czasowych elementów modelu - pojemność silnie zależy od częstotliwości.

40 Pomiar pojemności (norma IEC) Klasa 1: Podtrzymywanie pamięci Klasa 2: Gromadzenie energii Klasa 3: Urządzenia dużej mocy Klasa 4, Impuls mocy I (ma) = 1 C (F) I (ma) = 0,4 C (F) V (V) I (ma) = 4 C (F) V (V) I (ma) = 40 C (F) V (V)

41 Napięcie pracy Elektrolity wodne: 1.2V / elektrodę = 2.4V Rozpuszczalniki organiczne: 1.8 V/ elektrodę = 3.6V Przewodniki jonów litu: do 4V (napięcie minimalne 2.2V) Energy and Power Engineering, 2010, 25-30

42 Opór wewnętrzny Opór wewnętrzny określa nie tylko maksymalny prąd rozładowania, ale również czas ładowania kondensatora. Przyjmuje się że pełne naładowanie następuje po 5 stałych czasowych.

43 Samorozładowanie Procesy redox (zanieczyszczenia): zależność wykładnicza Dyfuzja jonów: Zależność od t 1/2

44 Właściwości superkondensatorów

45 Zastosowania kondensatorów Podtrzymywanie pamięci Urządzenia elektroniczne i narzędzia elektryczne Gromadzenie energii odnawialnej Sieci energetyczne Układy podtrzymywania napięcia UPS Transport kolejowy, drogowy, transport publiczny Układy rozruchu w pojazdach Samochody hybrydowe i elektryczne KERS Żurawie i podnośniki widłowe Medycyna (defibrylatory)

46 Zastosowania: energia odnawialna

47 Zastosowania: Rozruch silnika Superkondensator pozwala na rozruch przy częściowo rozładowanym akumulatorze. Silniki Diesla, ciężarówki itp.

48 Układy start/stop

49 Odzyskiwanie energii z hamowania

50 Odzyskiwanie energii i ładowanie Tramwaje elektryczne: Oszczędność 30% energii Odcinki linii bez przewodów zasilających Autobusy: Oszczędność paliwa 15% - hybrydowe Ładowanie na przystankach - elektryczne Samochody hybrydowe: -cykl miejski: oszczędność do 20% (w stosunku do wyłącznie Li-ion) -cykl mieszany: oszczędność 6%