Nowe materiały i ich zastosowania:

Podobne dokumenty
Nowe materiały i ich zastosowania:

Elektrolity wykazują przewodnictwo jonowe Elektrolity ciekłe substancje rozpadające się w roztworze na jony

Jon w otoczeniu dipoli cząsteczkowych rozpuszczalnika utrzymywanych siłami elektrycznymi solwatacja (hydratacja)

Elektrolity wykazują przewodnictwo jonowe Elektrolity ciekłe substancje rozpadające się w roztworze na jony

Transport jonów: kryształy jonowe

Laboratorium ogniw paliwowych i produkcji wodoru

SOFC. Historia. Elektrochemia. Elektroceramika. Elektroceramika WYKONANIE. Christian Friedrich Schönbein, Philosophical Magazine,1839

Elektryczne własności ciał stałych

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

INSTRUKCJA LABORATORYJNA NR 2-OP BADANIE OGNIW PALIWOWYCH

Przewodność elektryczna ciał stałych. Elektryczne własności ciał stałych Izolatory, metale i półprzewodniki

CHP z ogniwem paliwowym Przegląd rynku

Laboratorium z Konwersji Energii. Ogniwo Paliwowe PEM

STAN OBECNY I PERSPEKTYWY WYKORZYSTANIA OGNIW PALIWOWYCH

Czym jest prąd elektryczny

Możliwości magazynowania energii elektrycznej z OZE

1. BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA OGNIWA PALIWOWEGO

Ogniwo paliwowe typu PEM (ang. PEM-FC)

Historia elektrochemii

Transport jonów: kryształy jonowe

OGNIWA PALIWOWE. Zapewniają ekologiczne sposoby wytwarzania energii w dobie szybko wyczerpujących sięźródeł paliw kopalnych.

Elektrolity polimerowe. 1. Modele transportu jonów 2. Rodzaje elektrolitów polimerowych 3. Zastosowania elektrolitów polimerowych

Zalety przewodników polimerowych

Różne dziwne przewodniki

Sprawozdanie z laboratorium proekologicznych źródeł energii

Materiały w bateriach litowych.

Transport jonów: kryształy jonowe

Akademickie Centrum Czystej Energii. Ogniwo paliwowe

Przetwarzanie energii: kondensatory

Instytut Elektrotechniki Oddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu

MATERIAŁY W BUDOWIE OGNIW PALIWOWYCH

LABORATORIUM PRZEMIAN ENERGII

Przewodnictwo jonowe w kryształach

Zaburzenia periodyczności sieci krystalicznej

Elektryczne własności ciał stałych

1. Kryształy jonowe omówić oddziaływania w kryształach jonowych oraz typy struktur jonowych.

JEDNOKOMOROWE OGNIWA PALIWOWE

Przetwarzanie energii: kondensatory

Zjawisko termoelektryczne

Szkło. T g szkła używanego w oknach katedr wynosi ok. 600 C, a czas relaksacji sięga lat. FIZYKA 3 MICHAŁ MARZANTOWICZ

Elektrolit: przewodność jonowa określa opór wewnętrzny ogniwa. Niska przewodność = duże straty wewnątrz ogniwa

Opracowała: mgr inż. Ewelina Nowak

Przykładowe układy napędowe

Materiały elektrodowe

Wykład VII. Ogniwa paliwowe

Opole, dn. 20 czerwca 2006 Politechnika Opolska Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Kierunek: Informatyka. Podstawy elektroenergetyki

Bezemisyjna energetyka węglowa

Ogniwa paliwowe (fuel cells)

Leon Murawski, Katedra Fizyki Ciała Stałego Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej

Właściwości kryształów

Defekty punktowe II. M. Danielewski

Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach Przewodniki samoistne i niesamoistne

OGNIWA PALIWOWE SPOSOBY NA KRYSYS ENERGETYCZNY

ĆWICZENIE 1. Ogniwa paliwowe

Akumulatory i nie tylko...

WIĄZANIA. Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

Natężenie prądu elektrycznego

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyki prądowo- napięciowej elektrolizera typu PEM,

Część 3. Magazynowanie energii. Akumulatory Układy ładowania

OBWODY PRĄDU STAŁEGO. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Spis treści. Wykaz ważniejszych oznaczeń i jednostek 13 Przedmowa 17 Wstęp Odnawialne źródła energii 72

E dec. Obwód zastępczy. Napięcie rozkładowe

Ogniwo paliwowe zasilane ciekłym metanolem Direct Methanol Fuel Cell

Zjawisko Halla Referujący: Tomasz Winiarski

Stanowisko do badania ogniwa paliwowego Nexa 1,2 kw

Samochody na wodór. Zastosowanie. Wodór w samochodach. Historia. Przechowywanie wodoru

Pasmowa teoria przewodnictwa. Anna Pietnoczka

Wymagania względem elektrolitów. DOI: /c5cs00303b

Ćwiczenie 5. Testowanie ogniwa paliwowego wodorowego zasilanego energią pochodzącą z konwersji fotowoltaicznej

Modelowanie struktury krystalicznej i dynamiki jonów w przewodnikach jonów tlenu. Wojciech Wróbel Marcin Kryński

IV. PREFEROWANE TECHNOLOGIE GENERACJI ROZPROSZONEJ

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

Część 1. Wprowadzenie. Przegląd funkcji, układów i zagadnień

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

Ćwiczenie 5. Testowanie ogniwa paliwowego wodorowego zasilanego energią pochodzącą z konwersji fotowoltaicznej

Materiały katodowe dla ogniw Li-ion wybrane zagadnienia

Obwody prądu stałego. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12)Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

średnia droga swobodna L

Ogniwa galwaniczne. Elektrolizery. Rafinacja. Elektroosadzanie.

Zastosowanie ceramicznych przewodników jonowych do budowy urządzeń elektrochemicznych

PRZEWODNIKI JONOWE I FENOMENOLOGIA PRZEWODNICTWA JONOWEGO FENOMENOLOGIA PRZEWODNICTWA JONOWEGO. Elektroceramika.

Q t lub precyzyjniej w postaci różniczkowej. dq dt Jednostką natężenia prądu jest amper oznaczany przez A.

Ogniwa litowe : part I. Wykład 3

Szkła specjalne Wykład 16 Przewodnictwo elektryczne Część 3 Przewodnictwo jonowe i mieszane w szkłach tlenkowych

WZORU UŻYTKOWEGO PL Y1. AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE, Kraków, PL BUP 02/

Wyznaczanie współczynnika dyfuzji wodoru w stopach wodorochłonnych typu AB5 metodami elektrochemicznymi

Ćwiczenie 2. Charakteryzacja niskotemperaturowego czujnika tlenu. (na prawach rękopisu)

Teoria pasmowa ciał stałych

Praca objętościowa - pv (wymiana energii na sposób pracy) Ciepło reakcji Q (wymiana energii na sposób ciepła) Energia wewnętrzna

TEORIA PASMOWA CIAŁ STAŁYCH

Przerwa energetyczna w germanie

Energia emitowana przez Słońce

NADPRZEWODNIKI WYSOKOTEMPERATUROWE (NWT) W roku 1986 Alex Muller i Georg Bednorz odkryli. miedziowo-lantanowym, w którym niektóre atomy lantanu były

Podstawy elektrochemii

EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

GENERATOR WIELKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI BADANIE ZJAWISK TOWARZYSZĄCYCH NAGRZEWANIU DIELEKTRYKÓW

Nauka o Materiałach Wykład II Monokryształy Jerzy Lis

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Elektryczne własności ciał stałych

Elementy Elektrochemii

Transkrypt:

Nowe materiały i ich zastosowania: Przewodniki superjonowe Wstęp Jak przewodzą prąd elektryczny Zastosowania

Przewodniki superjonowe Przewodniki superjonowe (elektrolity stale) ciała stałe o wiązaniach głównie jonowych, które wykazują wysokie przewodnictwo jonowe ( większe niż umowna granica 10-5 1/W cm). Czasem osiągają one przewodnictwo równe elektrolitom ciekłym. W przewodnikach superjonowych nośnikami ładunku są jony w niektórych zastosowaniach przewodnictwo elektronowe jest nawet nieporządane. Typowym kryształem jonowym jest NaCl, ale jego przewodność jest rzędu 10--24 1/W cm, nie należy wiec do tej kategorii materiałów Zwykle jonami, które się poruszają w ciałach stałych są: : Li+, Na+, K+, Ag+, Cu+, F-, O-2 Ionic conductors Electronic conductors Material Ionic crystals Solid electrolytes Strong (liquid) electrolytes Metals Semiconductors Insulators Conductivity ( S m-1 ) <10-16 10-2 10-1 103 10-1 103 103 107 10-3 10-4 <10-10

Przewodniki superjonowe Aby przewodnictwo miało wysoką wartość muszą być spełnione warunki: wysoka koncentracja swobodnych nośników wysoka ruchliwość swobodnych nośników Oporność właściwa (albo przewodność) ładunek [C] = 1/ = q n d koncentracja nośników [m-3] [Wm] [ W-1m-1 = S/m ] ruchliwość nośników [ m2/(vs)]

Przewodniki superjonowe (krystaliczne) Jak przewodzą prąd krystaliczne przewodniki superjonowe: Jony mogą się poruszać dzięki defektom w strukturze krystalicznej Defekty Frenkla Defekty Schotkiego Defekty wprowadzają puste miejsca w sieci gdzie może wskoczyć ruchliwy jon Sieć krystaliczna musi być dość luźna Położenia dla jonów ruchliwych są oddzielone stosunkowo niewielkimi barierami potencjału

Przykład: jodek srebra AgI IAg+ AgI -jodek srebra, przewodzą małe jony srebra, szkielet tworzą jony jodu. Okazuje się że jest bardzo dużo tych położeń możliwych dla jonów Ag+. Ponadto taka podsieć swoimi właściwościami w odpowiednio wysokiej temperaturze przypomina ciecz.

Przewodnictwo superjonowe Aby ruchliwość była mniejsza muszą być mniejsze bariery potencjału pomiędzy miejscami które mogą obsadzać jony ruchliwe Na skutek ruchów cieplnych oraz przyłożonego napięcia jon może przeskoczyć przez taką barierę Dzięki takiemu mechanizmowi przeskoków wartość przewodnictwa zależy od temperatury w następujący sposób: = n q = ( 0 / T ) exp( -Ea / kt ) Gdzie Ea jest tzw energią aktywacji - barierą jaką musi przeskoczyć jon. Zależność przewodnictwa od temperatury przypomina tą jak jest dla półprzewodników Zależność log (przewodności) od odwrotności temperatury dla beta aluminy

Przewodnictwo krystalicznych w przewodnikach superjonowych - podsumowanie Właściwości elektryczne przewodników superjonowych wynikają z ich specyficznej struktury krystalicznej Tworzą się co najmniej dwa dwa rodzaje jonów,z których jeden jest wbudowany w sztywny szkielet, a drugi prawie swobodnie porusza się w tym szkielecie Liczba położeń w sieci, dostępnych dla jonów ruchliwych, jest znacznie większa od liczby jonów Sieć jonów nieruchomych,czyli szkielet, umożliwia łatwe przemieszczanie się jonów ruchliwych z jednego dostępnego dla nich miejsca do następnego. Bariera potencjału oddzielającego dostępne położenia jest niska Ścieżki, wzdłuż których mogą przemieszczać się jony ruchliwe, są połączone w ciągłą sieć umożliwiającą ich długozasięgowy przepływ

Przykłady zastosowań przewodników superjonowych Fuel cells SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) O2- (YSZ) H+ (H3PW 12O40.29H2O) Batteries High temperature (Na/S-battery), or micro batteries cations (Na- Al2O3, RbAg 4I5) Sensors Lambda sensor, ion sensitive Electrodes all ions Ion selective Membranes Substance separation, i.e. Oxygen without external current ionic/electronic mixed conductors Electrochemical Pumps Substance separation, Oxygen pump, Coulometric Titration ionic Electrochromic Materials smart windows, Displays mixed (WO3, MoO3) Electrode Materials Lithium-Ion Batteries, Intercalation Materials mixed (V6O13)

Ogniwa paliwowe gdzie je zastosować? Elektronika,Fraunhofer ISE. Samochody, FORD. Ogniwa paliwowe przekształcają bezpośrednio energię chemiczna w energię elektryczną i ciepło. Ogniwa paliwowe mogą potencjalnie zastąpić większość dzisiejszych silników, które zanieczyszczają środowisko. Dzięki swojej budowie mogą być stosowane zarówno w generatorach prądu o mocy rzędu miliwatów, jak i w dużych elektrowniach o mocy kilku megawatów. Technologia ogniw paliwowych może znacząco zmniejszyć zanieczyszczenie środowiska. Elektrownie, SiemensWestinghouse.

Pierwsze poważne zastosowania ogniw paliwowych W czasie amerykańskiego programu kosmicznego Apollo ogniwa paliwowe przeżyły swój debiut praktyczny w latach sześćdziesiątych XX wieku. 21 sierpnia 1965 r. Gemini 5 było pierwszym statkiem kosmicznym wykorzystującym ogniwo paliwowe z membran polimerowych zamiast standardowych baterii. Jednakże z powodu lepszych parametrów magazynowania energii w w czasie misji Apollo zastosowano ogniwo alkaliczne i ono dostarczało energii elektrycznej, gdy amerykańscy kosmonauci lądowali na Księżycu w 1969 r. Więcej informacji : http://www.fcway.com/index_pl.htm

Przykład: tlenowe ogniwo paliwowe Fuel cells SOFC e O2 V Oxygen pump e I O2O2O2O2-2e 1 O2 O O 2 2 fuel H2 2e O2 H2 O 2 O H 2O = I O2O2O2O2- O2

Przykład: protonowe (wodorowe) ogniwo paliwowe

Rodzaje ogniw paliwowych Istnieje szereg rodzajów ogniw paliwowych: * ogniwo z membraną do wymiany protonów (ang. Proton-exchange membrane fuel cell - PEMFC), * odwracalne ogniwo paliwowe (ang. Reversible Fuel Cell), * bezpośrednie ogniwo metanolowe (ang. Directmethanol 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).

Potencjalna wydajność ogniw paliwowych Porównanie wydajności ogniw paliwowych i tradycyjnych silników cieplnych (spalinowych) Wydajność ogniw paliwowych W szerokim zakresie temperatur i mocy ogniwo paliwowe ma potencjalnie wyższą wydajność niż silniki cieplne (poniższy wykres). Silniki spalinowe (i inne cieplne) dobrze pracują w stałych warunkach, gdyż maj wąski zakres maksymalnej mocy. Poza tym zakresem wydajność znacząco spada. Natomiast ogniwa paliwowe prezentują wysoką wydajność w szerokim zakresie mocy i temperatur, dlatego są doskonałe do pracy przy zmiennych obciążeniach. Szczególnie cenna jest wysoka wydajność przy niewielkim obciążeniu.

Inne zastosowania : pompa tlenowa Działa w sposób odwrotny niż ogniwo paliwowe Oxygen pump e O2 H 2O = Selektywne pompowanie jonów na skutek różnicy koncentracji lub przyłożonego napięcia I O2O2O2O2- O2 Daje możliwość bardzo dokładnego selektywnego pompowania odpowiedniej ilości jonów (np. tlenu, w celu odpowiedniego utleniania różnych substancji)

Inne zastosowania: czujnik zawartości tlenu w gazach

Inne zastosowania: Czujnik do analizy gazów spalinowych

Inne zastosowania : bardzo wydajne ogniwa Na/S Ogniwo odwracalne (akumulator) Elektrolit ceramika beta alumina oparta na mieszaninie Na2O+Al2O3 Bardzo duża przewodność elektryczna jonów sodu Na+ w temperaturze ok 300oC Praktyczna gęstość energii może osiągać 200 Wh / kg (kwasowy akumulator ołowiowy daje 20-40 Wh/kg) Problem degradacja elektrolitu w czasie pracy elektrolitu dlatego nie znalazły dotąd powszechnego zastosowania

Ogniwa elektryczne używane dzisiaj Type Alkaline Voltage Peak Optimal Drain Drain 1.5 0.5C < 0.2C NiCd 1.25 20C 1C Nickel metal 1.25 5C < 0.5C 2 5C 0.2C 3.6 2C < 1C Lead acid Lithium ion Type Capacity (mah) 2850 Density (Wh/kg) 124 Type 1600 80 NiCd NiCd AA 750 41 NiMH AA 1100 51 Lithium ion 1200 100 Lead acid 2000 30 Alkaline AA Rechargeable Alkaline Cycles Charge Discharge Cost per (to 80%) time per month kwh 50 (50%) 3-10h 0.3% $95.00 1500 1h 20% $7.50 NiMH 300-500 2-4h 30% $18.50 Li-ion 500-1000 2-4h 10% $24.00 300-500 2-4h 10% Lead acid 200-2000 8-16h 5% Polymer $8.50

Zasada działania ogniwa litowo-jonowego