UZUPEŁNIENIE DO WYKŁADÓW

Transkrypt

1 UZUPEŁNIENIE DO WYKŁADÓW Idea ogniwa paliwowego 1839 r. (demonstracja). Praktyczne zastosowanie ogniwa paliwowego statki termiczne. Ogólne zastosowanie ogniw paliwowych: - napęd samochodu, by zastąpić silnik spalinowy, - małe elektrociepłownie do uŝytku codziennego (energetyka), - urządzenia przenośne, PC, telefony komórkowe, np. zasilanie alkoholem etylowym. Ogniwo paliwowe Paliwem moŝe być: H 2, CH 3 OH, N 2 H 4, gaz ziemny. Nasze paliwo utlenia się na anodzie. Na katodzie następuje redukcja. Ogniwo paliwowe oddycha powietrzem W środowisku kwaśnym uŝywamy metali szlachetnych jako katalizatora, np. stop Pt i Rn, moŝe teŝ być Pt, Ru. granica jest hydrofobowo-hydrofilowa cząstki teflonu H 2 warstwa hydrofobowa - nie przechodzi przez warstwę hydrofobową, nie zatkał wszystkich porów ść Ekologiczne źródło prądu ze wzgl. na to, Ŝe produktem końcowym jest woda. Ogniwo wykonuje pracę: - cichą, - efektywną, - ekologiczną. Termodynamiczny zakres trwałości wody. Woda rozkłada się teoretycznie przy napięciu 1,23 V (w zaleŝności od rodzaju materiału). Praktycznie nasze napięcie wykorzystywane wynosi 0,8-1,0 V. E [V] 1,23 0 ph 14

2 Reakcja wymagająca przejścia z jednej substancji chemicznej do innej reakcja elektrochemiczna: np. elektrony są nam potrzebne, by otrzymać tę samą energię, którą będziemy wykorzystywać Ogniwo paliwowe urządzenie elektrochemiczne, które w sposób ciągły konwertuje energię chemiczną dostarczanego z zewnątrz paliwa i utleniacza bezpośrednio w energię elektryczną. Temperatura ogniwa paliwowego powinna wynosić ok. 100 C, by odparowywać wodę, która się gromadzi podczas powstawania naszej energii. Energia właściwa ogniwa paliwowe [Wh/kg] [Wh/l] ciekły H metanol borowodorki hydrocarbon metal hydrie akumulatory [Wh/kg] [Wh/l] Lead-acid Nickel-cadium Nickel-metal hydride Lithum-ion metanol jako paliwo zalety wady wysoka gęstość energii niska wartość prądu wymiany cała r. utleniania generuje 6 elektronów niska stała szybkości tani materiał potrzebne są szlachetne katalizatory stabilność chemiczna elektroda zatruwa się podczas pracy Dyspersja (rozproszenie) katalizatora jest b. waŝna. Nanocząstki mają wymiary 5-10 nm (najlepsze nanorurki). tył anody tył katody gaz ( ) katalizator WODÓR - otrzymywanie Metoda Boscha: - rozkład pary wodnej rozłoŝonym koksem w temp ºC C H O CO H - konwersja na katalizatorze Fe 2 O 3 i Cr 2 O 3 w temp ºC CO H H O CO 2H

3 Rozkład metanu wodą - konwersja metanu w rurkach ceramicznych pokrytych niklem w temp. 500 ºC CH H O CO H CO H CO H Proces reformingu - odwodornienie węglowodorów nasyconych: C H C H 3H Elektrolityczny rozkład wody (30 % kon) 2H O 2e H 2OH kat. 2OH H O 1 2 O 2e an. H O H 1 2 O sumarycznie Magazynowanie wodoru: - spręŝony w postaci gazowej w zbiornikach ciśnieniowych (stacjonarne zastosowanie), - skroplony w silnie opancerzonych i termostatycznych zbiornikach, - pochłonięty w metalach ziem rzadkich (tytanowce, wanadowce, stopy niklu, Ŝelaza, glinu, magnezu lub wapnia), - w postaci wodorków FeTiH 1,7, MgNiH 4, MgH 2 - w postaci związków miedzy metalicznych ze stopem lantanu z kobaltem i samaru z niklem (takie stopy w zbiorniku pod ciśnieniem 4 atm. Pochłaniają tyle wodoru, ile moŝna w nim zmagazynować pod ciśnieniem 1000 atm.). Jeśli chcemy wykorzystać H jako paliwo to jakie musimy spełniać warunki (pewne problemy do rozwiązania): - wysokie ciśnienie niebezpieczne, - ciekły H potrzeba, by T = -252 C, - metaliczne wodorki: niska wielkość H magazynowanego (1,5 % nasycenia 3 %), drogie, niska odwracalność procesu. Domowe elektrociepłownie 10 kw Ogniwo paliwowe (gaz ziemny) ze stałym tlenkiem 800 C (SOFe) dostarcza energię elektryczną i ciepło do ogrzewania. Samochód napędzany ogniwem paliwowym (H) Moc 50 kw (16 g Pt/1 kwh 180 $) Perspektywy: - bezpieczne, - mała cena. Ogniwa i akumulatory Ogniwa to urządzenia przemieniające energię chemiczną zawartą w materiałach elektrodowych bezpośrednio w energię elektryczną za pomocą reakcji redox. Akumulatory to ogniwa odwracalne zdolne do pracy cyklicznej. Układ litowo-jonowy w komórce jest lepszy niŝ niklowo-wodorkowy. Energia właściwa: Pb - kwas Ni-Cd Ni-H Li-ION

4 Charakterystyka akumulatorów Rodzaj Energia [Wh/kg] Napięcie [V] Pb/DbO ,0 Cel/NiOOH 50 1,2 MH/NiOOH 70 1,3 Li-ION 100 3,0-4,0 (zaleŝy od materiału katodowego) MATERIAŁY ANODOWE g/ml g/26,8 Ah Ah/kg Pb 11, Ni 0, GramorównowaŜnik elektrochemiczny ile jest danego materiału, by uzyskać energię elektryczną. 26,8 Ah stała Farradaya = C/mol MATERIAŁY KATODOWE Ogniwo Li-ION g/ml g/26,8 Ah Ah/kg PbO 2 9, A SEI Li e + e + e + e + plastry węglowe (grafenowe) ładowanie ogniwa anoda: C xli xe Li C ładowanie ogniwa katoda: LiMO Li MO xli xe ogniwo: LiMO C Li C Li MO Ogniwa paliwowe Li x C 6 Li (1-x) MO 2 Chemiczne źródła prądu są to takŝe akumulatory. Charakteryzują się duŝą energią. Gęstość mocy moc akumulatora. Pojemność znamionowa, np. 40 Ah to moc, gdzie moŝemy gdzie moŝemy uŝywać prądu o mocy 1 Ampera przez 40 h. Superkondensator charakteryzuje się najkrótszym czasem jeśli chodzi o odpalenie. Ogniwo paliwowe to niskonapięciowe źródło prądu, które w sposób ciągły wytwarza stały prąd na drodze utleniania paliwa zwanego substancją czynną ogniwa. Im mniejsze napięcie tym grubsze przewody doprowadzające w np. samochodach czy akumulatorach. Utleniacz: - tlen, - powietrze.

5 Paliwo: - H 2, - CH 3 OH, C 2 H 5 OH, - CO + H 2, - N 2 H 4 (hydrazyna). Wodór jest najlepszym paliwem, ale jest niebezpieczny, ma największą energię. Cel: Czy ogniwa paliwowe mogą zastąpić akumulatory? Na razie niestety nie, gdyŝ nie posiadamy takiej wiedzy. Podstawowym problemem związanym z ogniwami paliwowymi są katalizatory. Pt do niedawna najlepsze źródło kat. w ogniwach. Ostatnio zakazana. Pt-Ru ulega reakcji utleniania. Bateria ogniw paliwowych RóŜnica miedzy anodą a katodą. Anoda to elektroda, na której zachodzi r. utl. Katoda to elektroda, na której zachodzi r. redukcji. W procesie wymuszonym Anoda jest dodatnia (bo aniony -) a katoda ujemna (bo kationy +). W procesie samoistnym jest odwrotnie. elektrony H O 2 anoda elektrolit katoda katalizator woda Działanie ogniw paliwowych. H i O 2 są doprowadzane z zewnątrz. Na anodzie H ulega utlenieniu. KaŜda z elektrod posiada katalizator. Najlepszym katalizatorem dla anody jest Pt i Ruten, a dla katody Pt. po dotarciu H do anody następuje jonizacja. H przenika do elektrody i łączy się z tlenem. Produktem takiej reakcji jest H reakcje zachodzące w powyŝszym procesie Rodzaje ogniw paliwowych - AFC alkaliczne ogniwa paliwowe - SOFC tlenkowe ogniwa paliwowe - SPFC membranowe ogniwa paliwowe - PAFC fosforowe ogniwa paliwowe - MCFC węglanowe ogniwa paliwowe

6 zbiornik zuŝyte paliwo prądu zuŝyty utleniacz i gazy odlotowe i gazy odlotowe H 2 OH - O 2 T = 1000 C H 2 O H 2 O 2- O 2 T = 1000 C H 2 O O 2 T = 80 C H 2 H + (SPEC) H 2 O T = 200 C H 2 O 2 (PAFC) CO 2 CO T = 615 C H 2 O CO 2 paliwo anoda elektrolit katoda utleniacz Ogniwa paliwowe problem stanowi zatrucie katalizatora. Pt katalizator ulega zatruciu tlenkiem węgla, paliwa nie powinny zawierać węgla. Nazwy ogniw biorą się od elektrolitu. paliwo H 2 CO CO 2 H 2 O (O 2 + H 2 O) (H 2 + CO) 2H 2CO 2H O 4e temp. elektrolit C O 2CO 4e 2CO O 2 CO 2 powietrze (O 2 +CO 2 ) Zasada działania wysokotemperaturowego ogniwa węglowego Reakcja sumaryczna: 2 2 Ogniwo fosforowe schemat 2 paliwo powietrze H + + O 2 H 2 2H + temp C elektrolit H 2 H 3 PO 4 H 2 O

7 Przewodniki: - I rodzaju (metale) - II rodzaju (roztwory, jony) nie tylko H, ale takŝe organiczne i stopione sole mogą przewodzić prąd. H 2 CO 3 (H 2 O + CO 2 ) H O H O 2e CO O CO 2e elektrolit temp C O 4e 2O O 2 Reakcja sumaryczna: H O CO H jako paliwo Zalety: - proekologiczny produktem spalania jest woda, - mała energia inicjacji zapłonu sprawne spalanie, - zapasy H niewyczerpalne jako składnik wody krąŝy w obiegu zamkniętym w przyrodzie. Wady: - z powietrzem tworzy mieszaninę wybuchową, - dyfunduje przez metale, - podczas spalania w powietrzu tworzą się tlenki NO x. CO H O - reakcja całkowita utleniania metanolu i redukcji tlenu anoda: H O CO 6 6 katoda: 6 6 3H O CO 3H O 3H O 2CO im bardziej rozbudowany układ tym więcej ( ) daje energii. Ogniwo metanol/o 3 niskonapięciowe źródło energii chemiczne katoda: 6 6 3H O 1,229 anoda: H O 6 CO 6 0,030 CO 3H O 1,199 Proces utleniania jest to proces bardzo skomplikowany, zachodzi tu szereg reakcji: CH OH CH OH CH OH CH OH CHOH Ogniwo paliwowe z polimerową elektronową membranę NAFION TM polimerowa membrana

8 teflon grupa odpowiada za przenoszenie jonów Ogniwa paliwowe - ekologiczne, - wysoce energetyczne, - duŝa sprawność, - moŝliwość miniaturyzacji, - koszt katalizatora, - brak ładowania, - tanie paliwo jeśli chodzi o metanol etanol, - bezpieczeństwo, - poprawa sprawności, - max. cena 1500 $/kw AKUMULATORY - materiały elektrodowe, - konieczny proces ładowania, - elektrody ulegają przemianom, - stosunkowo tanie, - energia właściwa Wh/kg, - napięcie 1kN OGNIWA PALIWOWE - paliwo i utleniacz, - brak procesu ładowania, - paliwo ulega przemianie, - wysoki koszt, - ekologiczne, - 0,3-33 kwh/kg, - poniŝej 1V