UZUPEŁNIENIE DO WYKŁADÓW



Podobne dokumenty
Laboratorium z Konwersji Energii. Ogniwo Paliwowe PEM

CHP z ogniwem paliwowym Przegląd rynku

JEDNOKOMOROWE OGNIWA PALIWOWE

Przetwarzanie energii: kondensatory

1. BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA OGNIWA PALIWOWEGO

LABORATORIUM PRZEMIAN ENERGII

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

Ogniwo paliwowe typu PEM (ang. PEM-FC)

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

IV. PREFEROWANE TECHNOLOGIE GENERACJI ROZPROSZONEJ

Możliwości magazynowania energii elektrycznej z OZE

Przetwarzanie energii: kondensatory

STAN OBECNY I PERSPEKTYWY WYKORZYSTANIA OGNIW PALIWOWYCH

Bezemisyjna energetyka węglowa

PODSTAWY KOROZJI ELEKTROCHEMICZNEJ

Laboratorium odnawialnych źródeł energii. Ćwiczenie nr 5

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

OGNIWA PALIWOWE SPOSOBY NA KRYSYS ENERGETYCZNY

Karta pracy III/1a Elektrochemia: ogniwa galwaniczne

1. za pomocą pomiaru SEM (siła elektromotoryczna róŝnica potencjałów dwóch elektrod) i na podstawie wzoru wyznaczenie stęŝenia,

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

Ogniwa paliwowe - zasada działania

Wysoka sprawność ogniwa paliwowego zasilanego metanolem

Materiały w bateriach litowych.

INSTRUKCJA LABORATORYJNA NR 2-OP BADANIE OGNIW PALIWOWYCH

NOWOCZESNE ŹRÓDŁA ENERGII

Wrocław dn. 22 listopada 2005 roku. Temat lekcji: Elektroliza roztworów wodnych.

Elementy Elektrochemii

ELEKTRODY i OGNIWA. Elektrody I rodzaju - elektrody odwracalne wzgl dem kationu; metal zanurzony w elektrolicie zawieraj cym jony tego metalu.

K, Na, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Sn, Pb, H, Cu, Ag, Hg, Pt, Au

Akademickie Centrum Czystej Energii. Ogniwo paliwowe

Materiały katodowe dla ogniw Li-ion wybrane zagadnienia

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

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

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

Podstawowe pojęcia 1

Materiały elektrodowe

Ćwiczenie 1: Wyznaczanie warunków odporności, korozji i pasywności metali

ĆWICZENIE 1. Ogniwa paliwowe

Badanie utleniania kwasu mrówkowego na stopach trójskładnikowych Pt-Rh-Pd

NIEKONWENCJONALNE ŹRÓDŁA ENERGII OGNIWA PALIWOWE

Materiały do zajęć dokształcających z chemii nieorganicznej i fizycznej. Część V

MATERIAŁY W BUDOWIE OGNIW PALIWOWYCH

Laboratorium ogniw paliwowych i produkcji wodoru

Fragmenty Działu 8 z Tomu 1 PODSTAWY ELEKTROCHEMII

Schemat ogniwa:... Równanie reakcji:...

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Elektrochemia - szereg elektrochemiczny metali. Zadania

EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

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

Podstawy elektrochemii

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

Magazynowanie wodoru. Wizja? Konieczność? Możliwości?

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

Stanowisko do badania ogniwa paliwowego Nexa 1,2 kw

CATA ASPEKTY TECHNICZNE WYKORZYSTANIA TECHNOLOGII MAGAZYNOWANIA ENERGII. Centrum Zastosowań Zaawansowanych Technologii MIECZYSŁAW KWIATKOWSKI

Cel ogólny lekcji: Omówienie ogniwa jako źródła prądu oraz zapoznanie z budową ogniwa Daniella.

Wykaz ważniejszych oznaczeń i jednostek Przedmowa Wstęp 1. Charakterystyka obecnego stanu środowiska1.1. Wprowadzenie 1.2. Energetyka konwencjonalna

OGNIWA GALWANICZNE I SZREG NAPIĘCIOWY METALI ELEKTROCHEMIA

Ogniwa galwaniczne. Elektrolizery. Rafinacja. Elektroosadzanie.

To jest. Ocena bardzo dobra [ ] energetycznych. s p d f. Ocena dobra [ ] izotopowym. atomowych Z. ,, d oraz f.

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

ELEKTROCHEMIA CIAŁA STAŁEGO

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

Ogniwowa rewolucja. Zimne spalanie

Część 3. Magazynowanie energii. Akumulatory Układy ładowania

Ogniwo paliwowe zasilane ciekłym metanolem Direct Methanol Fuel Cell

Metoda Elementów Skooczonych

4. OGNIWA GALWANICZNE 1

Otrzymywanie wodoru M

Technologia ogniw paliwowych w IEn

Tlen. Występowanie i odmiany alotropowe Otrzymywanie tlenu Właściwości fizyczne i chemiczne Związki tlenu tlenki, nadtlenki i ponadtlenki

INDEKS ALFABETYCZNY CEI:2004

Pytania przykładowe na kolokwium zaliczeniowe z Podstaw Elektrochemii i Korozji

Wybrane Działy Fizyki

TŻ Wykład 9-10 I 2018

Wykład VII. Ogniwa paliwowe

Budowa i zasada działania akumulatora

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

Odnawialne źródła energii i pojazdy proekologiczne - Jastrzębska GraŜyna. Spis treści. Przedmowa Wykaz oznaczeń Wykaz skrótów

ELEKTROGRAWIMETRIA. Zalety: - nie trzeba strącać, płukać, sączyć i ważyć; - osad czystszy. Wady: mnożnik analityczny F = 1.

Katedra Inżynierii Materiałowej

Przykładowe układy napędowe

WODÓR PALIWEM PRZYSZŁOŚCI OKIEM SCEPTYKA

Lista materiałów dydaktycznych dostępnych w Multitece Chemia Nowej Ery dla klasy 7

Nowe kierunki rozwoju technologii superkondensatorów

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

Elektrochemia elektroliza. Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 1

OCHRONA PRZED KOROZJĄ

Jacek Jaros Politechnika Częstochowska. Temat: Wodór, współczesny nośnik energii

MODUŁ. Elektrochemia

Elektrochemia. Reakcje redoks (utlenienia-redukcji) Stopień utlenienia

wykład 6 elektorochemia

Energetyka obywatelska. Magazyny energii w rozwoju transportu elektrycznego

uczeń opanował wszystkie wymagania podstawowe i ponadpodstawowe

Wrocław dn. 18 listopada 2005 roku

Ć W I C Z E N I E 6. Nadnapięcie wydzielania wodoru na metalach

XXI Regionalny Konkurs Młody Chemik FINAŁ część I

TERMOCHEMIA SPALANIA

TEST NA EGZAMIN POPRAWKOWY Z CHEMII DLA UCZNIA KLASY II GIMNAZJUM

Transkrypt:

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. 2 2 2 2. 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 2 2 2 2 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

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 33000 2500 metanol 6200 4900 borowodorki 2800 2500 hydrocarbon 2400 2100 metal hydrie 370 3300 akumulatory [Wh/kg] [Wh/l] Lead-acid 30 80 Nickel-cadium 40 130 Nickel-metal hydride 60 200 Lithum-ion 130 300 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. 1200 ºC C H O CO H - konwersja na katalizatorze Fe 2 O 3 i Cr 2 O 3 w temp. 300-450 ºC CO H H O CO 2H

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 30 80 Ni-Cd 40 130 Ni-H 60 200 Li-ION 130 300

Charakterystyka akumulatorów Rodzaj Energia [Wh/kg] Napięcie [V] Pb/DbO 2 40 2,0 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 11,3 104 238 Ni 0,5 7 3830 GramorównowaŜnik elektrochemiczny ile jest danego materiału, by uzyskać energię elektryczną. 26,8 Ah stała Farradaya = 96480 C/mol MATERIAŁY KATODOWE Ogniwo Li-ION g/ml g/26,8 Ah Ah/kg PbO 2 9,4 120 223 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.

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. 2 4 4 reakcje zachodzące w powyŝszym procesie. 4 4 2 2 2 Rodzaje ogniw paliwowych - AFC alkaliczne ogniwa paliwowe - SOFC tlenkowe ogniwa paliwowe - SPFC membranowe ogniwa paliwowe - PAFC fosforowe ogniwa paliwowe - MCFC węglanowe ogniwa paliwowe

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 2 2 + 2H + + O 2 H 2 2H + temp. 160-200 C elektrolit H 2 H 3 PO 4 H 2 O 2 2 2 2

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. 1000 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 2 12 - 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

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 50-150 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