Ogniwa paliwowe

Ogniwa paliwowe

Ciała przewodzące prąd elektryczny

Przewodniki I klasy (elektryczność przenoszona

Jest przez elektrony)

Przewodniki II klasy

(elektryczność przenoszona jest przede wszystkim przez jony)

Elektroliza

Procesem elektrolizy nazywamy wszystkie reakcje elektrochemiczne zachodzące pod wpływem przepływu prądu z zewnętrznego źródła. Układ, w którym zachodzi elektroliza obejmuje dwie elektrody (katoda, anoda) zanurzone w elektrolicie (roztwór wodny, elektrolit stopiony) i połączone przewodnikami metalicznymi z biegunami zewnętrznego źródła prądu stałego.

Reakcja utleniania i redukcji

Procesy chemiczne, podczas których atomy lub jony zmieniają swój stopień utlenienia na skutek pobierania lub oddawania elektronów nazywają się odpowiednio reakcjami utleniania i redukcji, czyli redoks.

Reakcje te są nierozerwalnie ze sobą związane, czyli żadna z reakcji nie może przebiegać samodzielnie.

Utlenianie

(dezelektronacja) jest procesem chemicznym, podczas

którego obojętne atomy, cząsteczki lub jony (reduktor) tracą elektrony, na skutek czego wzrasta ich stopień utlenienia.

Redukcja

(elektronacja) jest procesem chemicznym, podczas którego obojętne atomy, cząsteczki lub jony (utleniacz) pobierają elektrony, co powoduje zmniejszenie ich stopień utlenienia.

na katodzie biegnie proces redukcji (pobieranie elektronów z elektrody):

𝑄

_𝑥1^𝑛+

+ 𝑛𝑒 ↑→ 𝑅𝑒𝑑

₁

na anodzie – proces utleniania (dostarczanie elektronów do elektrody):

𝑅𝑒𝑑

₂

− 𝑛𝑒 → 𝑄

_𝑥2^𝑛+

Reakcje elektrochemiczne zachodzą wyłącznie na granicy faz elektrolit-elektroda.

Przepływ prądu przez elektrolit wymusza ruch jonów: kationów w kierunku katody oraz anionów w kierunku anody. Jednocześnie na elektrodach zachodzą reakcje

Elektroliza HCl

Dodatnie jony wodoru dążą do elektrody ujemnej, gdzie przejmują elektrony, zobojętniają się i łączą w pary tworząc cząsteczki H₂.

Wodór ulatnia się w postaci pęcherzyków:

Cząsteczki HCl rozpadają się w wodzie 𝐻𝐶𝑙 → 𝐻⁺ + 𝐶𝑙⁻

2𝐻⁺ + 2𝑒⁻ → 𝐻₂

Ujemne jony chloru po dotarciu do elektrody dodatniej oddają jej swe nadmiarowe elektrony, zobojętniają się elektrycznie i łączą się w pary, tworząc cząsteczki Cl₂

2𝐶𝑙⁺ − 2𝑒⁻ → 𝐶𝑙₂

I prawo Faradaya

wyraża związek między ilością substancji wydzielającej się na elektrodzie, natężeniem prądu i czasem przepływu prądu przez elektrolit.

Masa jakiejkolwiek substancji odłożonej, wydzielonej lub rozpuszczonej na

elektrodzie jest wprost proporcjonalna do ilości elektryczności, jaka przepłynęła przez elektrolit

𝒎 = 𝒌 ∙ 𝒒 = 𝒌 ∙ 𝑰 ∙ 𝒕

k - równoważnik elektrochemiczny (współczynnik proporcjonalności), który zależy tylko od rodzaju wydzielającej się substancji i składu elektrolitu [kg/As] (k = M/nF)

I prawo Faradaya

e

I

III II

H₂SO₄

H₂SO₄ H₂SO₄

II prawo Faradaya

Na odłożenie, wydzielenie lub rozpuszczenie na elektrodach 1 gramorównoważnika jakiejkolwiek substancji zużywa się zawsze tę samą ilość elektryczności 1F.

𝑭 = 𝑵

𝑾 𝒆 _𝟎

F- stała Faradaya [A^.s]

N – liczba Avogadra (liczba atomów w gramoatomie) 6.02 x 10²³ mol^-1 e₀ – ładunek elementarny

W – wartościowość pierwiastka

Ogniwo galwaniczne

Układ składający się z fazy metalicznej i otaczającego ją roztworu elektrolitów nosi nazwę elektrody (półogniwa).

W zależności od zdolności metalu do przechodzenia do roztworu w postaci jonów oraz stężenia jonów w roztworze - ładuje się on względem roztworu ujemnie lub dodatnio. Z chwilą połączenia dwóch elektrod wskutek

występującej różnicy potencjałów popłynie w obwodzie zewnętrznym prąd elektryczny.

Taki układ zbudowany z dwóch elektrod połączonych poprzez elektrolit tworzy ogniwo galwaniczne. Przyczyną przepływu elektronów z jednego półogniwa do drugiego przez obwód jest różnica potencjałów wewnętrznych, która powstaje pomiędzy półogniwami (elektrodami) takiego ogniwa.

Luigi Gavani

1737-1798

Ogniwo Alessandro Volty

1745-1827

Historia ogniw paliwowych

Wilhelm Ostwald i Walther H. Nerst 1905 zaprezentowali teorię ogniwa paliwowego.

Christian F. Schoenbein 1839 donosi o powstawaniu prądu w reakcji wodoru z tlenem.

„Ogniwo paliwowe jest większym wynalazkiem dla cywilizacji niż maszyna parowa i wkrótce umieści generator Siemens'a w muzeum."

Sir William R. Grove 1842 pierwsze ogniwo paliwowe

Historia ogniw paliwowych

1973 - Drugi kryzys paliwowy

1980 - Systematyczny wzrost zainteresowania i badań nad ogniwami

Lata 60 - Amerykański program kosmiczny

– Gemini 5 pierwszy statek kosmiczny z ogniwem

– Apollo, lądowanie na Księżycu również z ogniwem

Historia ogniw paliwowych

Profesor Karl Kordesch z Uniwersytetu Graz w Austrii był jednym z pierwszych badaczy ogniw paliwowych. Wraz z współpracownikami skonstruował w 70’

motocykl i samochód z alkalicznym ogniwem paliwowym

Etienne Lenoir 1860 r

Problematyczny – WODÓR ??

Katastrofa 1937 r. sterowca "Hidenburg"

WODÓR

Najbardziej rozpowszechniony pierwiastek na kuli ziemskiej Nie występuje na ziemi w postacie wolnej

Wartość opałowa wodoru jest wysoka 120 MJ/kg (węgiel 25MJ/kg, benzyna47MJ/kg) W temperaturze pokojowej występuje w postaci gazowej

< -263^oC ciało stałe, ρ = 70,6 kg/m³

> -253^oC gaz; przy 0^oC ρ = 0, 089886 kg/m³ - 253 ^oC, punkt potrójny, ρ = 70,8 kg/m³

1. “The Merck Index, Thirteenth Edition”; Merck Research Laboratories, Division of MERCK & CO.,INC.

2 .“CRC Handbook of Chemistry and Physics, 83^rd Edition”; CRC Press.

3. IWT INTECH - Wodór „Paliwem” Przyszłości

Dr. Michael R. Swain; “Fuel Leak Simulation”.

Zasada działania ogniw paliwowych

Ogniwa paliwowe umożliwiają produkcję prądu elektrycznego w procesach chemicznych podobnych do spalania, ale zachodzących izotermicznie i bez płomienia

Wodorowe ogniwa paliwowe są urządzeniami elektrochemicznymi, w których następuje łączenie wodoru (pochodzącego z paliwa) z tlenem (pochodzącym z powietrza).

Produktami reakcji są: energia elektryczna oraz ciepło i woda.

Zasada działania oparta jest na procesie elektrochemicznym, który odpowiada odwrotnej elektrolizie wody i pozwala na kontrolowaną reakcję łączenia wodoru i tlenu. Gazy

reakcyjne (wodór i powietrze) są dostarczane do odpowiedniej strony elektrody poprzez system kanałów wykonanych w płycie ogniwa.

Budowa ogniwa paliwowego

Dwie elektrody:

anoda i katoda

Elektrolit:

ciecz lub ciało stałe

Elektrolit umożliwia przepływ kationów natomiast uniemożliwia przepływ elektronów

Elektrolit

Przewodnik jonów

Izolator dla elektronów

Separuje reagentu

anodowe i katodowe

Elektrody

Elektrody są wykonane z materiałów będących dobrymi przewodnikami elektryczności (przewodniki I rodzaju - elektronowe) i najczęściej są porowate, aby zwiększyć wielkość powierzchni aktywnej biorącej udział w reakcji elektrochemicznej, a także ułatwić transport gazów do elektrolitu.

W przypadku ogniw nisko- i średniotemperaturowych w materiale elektrod umieszczone są odpowiednie katalizatory (np. platyna, pallad, nikiel) w celu przyspieszenia reakcji elektrodowych.

Elektrody sterują jedynie procesami elektrochemicznymi, nie biorąc w nich bezpośredniego udziału.

Zasada działania ogniwa paliwowego

Przemiana energii w ogniwie

ciepło

Fuel cell

Energia wodoru

Energia tlenu

Moc i energia

𝑃 = 𝑈 ∙ 𝐼 𝐸 = 𝑃 ∙ 𝑡 = 𝑈 ∙ 𝐼 ∙ 𝑡

Alkaliczne Ogniwo Paliwowe - Alkaline Fuel Cell (AFC)

AFC było pierwszym nowoczesnym ogniwem paliwowym rozwijanym na początku lat sześćdziesiątych. Elektrolit to roztwór zasadowy (wodorotlenek potasu). W ogniwach AFC temperatura pracy zależy od stężenia KOH, im wyższe stężenie tym wyższa temperatura pracy

Redukcja tlenu w środowisku zasadowym jest dużo szybsza niż w kwaśnym, np. w PEMFC. Tak więc, jest możliwe wykorzystanie

Reakcje elektrodowe ukazano poniżej:

Utlenienie wodoru na anodzie:

H₂ + 2OH → 2H²O + 2e^- Redukcja tlenu na katodzie:

½O² + H²O + 2e → 2OH^- Sumaryczna reakcja w AFC:

H₂ + ½O₂ → H₂O

Ogniwo paliwowe ze stopionymi węglanami - Molten carbonate fuel cell (MCFC)

Elektrolit w postaci stopionego węglanu to zazwyczaj węglan litu i

potasu (Li₂CO₃/K₂CO₃) lub litu i sodu (Li₂CO₃/Na₂CO₃) w osnowie ceramicznej z ceramiki na bazie aluminium (LiAlO₃). Z powodu bardzo wysokich

temperatur pracy (600 - 700°C) kinetyka katody (szybkość reakcji) jest drastycznie poprawiona w porównaniu do PEMFC i PAFC, więc nie potrzeba szlachetnych metali jako katalizatorów. Na katodzie jest zazwyczaj tlenek niklu, ale bada się również materiały na bazie tlenku litu. W anodzie

wykorzystuje się zazwyczaj stopy niklowo aluminiowe lub niklowo chromowe. Reakcje elektrodowe i sumaryczne są ukazane poniżej.

Utlenienie wodoru na anodzie:

H2 + (CO3)2- → H2O + CO2 + 2e- Redukcja tlenu na katodzie:

CO2 + ½O2 + 2e- → (CO3)2- Sumaryczna reakcja w MCFC:

H2 + ½O2 → H2O

Ogniwo paliwowe oparte na kwasie

fosforowym - Phosphoric-acid fuel cells (PAFC)

W ogniwie tego typu wykorzystuje się w roli elektrolitu stężony kwas fosforanowy umieszczony w osnowie z węglika krzemu i teflonu. Elektrody zbudowane z takiego samego materiału jak w PEMFC - z platyny na

podkładzie z węgla. Również tutaj wymagane jest zastosowanie większej ilości katalizatora na katodzie niż na anodzie. Jeśli ogniwo działa na

wodorze uzyskanym z reformingu paliw kopalnych ruten (Ru) jest dodawany do Pt na anodzie. Dzięki Ru w roli drugiego katalizatora tlenek węgla z

paliwa jest łatwiej utleniany. Ponieważ ogniwo zasila wodór ( lub

reformowane węglowodory) i powietrze, reakcje na elektrodach s takie same jak w PEMFC.

Utlenienie wodoru na anodzie:

H2 → 2H+ + 2e- Redukcja tlenu na katodzie:

½O2 + 2H+ + 2e- → H2O Sumaryczna reakcja w PAFC:

H2 + ½O2 → H2O

Ogniwo z membraną do wymiany protonów - Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC)

Elektrolitem jest spolimeryzowany fluorkowany kwas sulfonowy w postaci jonowymiennej membrany, która wyróżnia te ogniwa spośród innych.

Strumień wodoru jest kierowany na anodową stroną membrany. Na niej jest katalitycznie rozdzielany na protony i elektrony. Nowo uformowane protony przenikają przez membranę nas stronę katodowa. Elektrony

przechodzą poprzez zewnętrzne obciążenie na stronę katodową powodując przez to przepływ prądu. W międzyczasie strumień tlenu kierowany jest na katodowa stronę membrany. następnie tlen reaguje z protonami

przenikającymi przez membranę oraz elektronami przychodzącymi z zewnętrznego obwodu i tworzy się w ten sposób woda.

Reakcje redoks w ogniwie PFMEC:

Utlenienie wodoru na anodzie:

H2 → 2H+ + 2e- Redukcja tlenu na katodzie:

½O2 + 2H+ + 2e- → H2O Sumaryczna reakcja w PEMFC:

H2 + ½O2 → H2O

Ogniwo paliwowe z zestalonym

elektrolitem tlenkowym - Solid-oxide fuel cells (SOFC)

Elektrolitem w SOFC jest zestalony, nieporowaty tlenek metalu, zazwyczaj Y2O3 stabilizowany 8-10 % molowymi ZrO2. Przewodnictwo jonowe w elektrolicie jest zapewnione przez jony tlenu (O2-).

Wykorzystanie substancji stałej jako elektrolitu czyni system stabilniejszym i bezpieczniejszym niż w przypadku MCFC. Nie powstają przecieki, a ogniwu można nadać różne kształty, jak rurowy, planarny, monolityczny.

Zazwyczaj temperatura pracy wynosi około 1000 °C, ale jest

pożądane skonstruowanie ogniwa pracującego w niższej temperaturze, około 650 °C. To oczywiście obniża przewodność obecnie stosowanych materiałów elektrolitycznych. Tak jak w MCFC nie potrzeba drogich metali na elektrody, bo kinetyka jest wystarczająco szybka w tych temperaturach.

Utlenienie wodoru na anodzie:

H2 + O2 → H2O + 2e- Redukcja tlenu na katodzie:

½O2 + 2e → O2- Sumaryczna reakcja w SOFC:

H2 + ½O2 → H2O

Ogniwo paliwowe (nazwa) Elektrolit Elektrody Paliwo Temperatura pracy i zastosowanie ogniwa

Ogniwo alkaliczne (zasadowe)

AFC (Alkaline Fuel Cell)

Roztwór wodorotlenku potasu:

stężony 85% (temp pracy <

250^OC), rozcieńczony 35-40% (temp pracy

<120^OC)

Zastosowanie różnych metali

Wodór H₂, hydrazyna N₂H₄, metan CH₄ Paliwo i utleniacz muszą być

pozbawione CO₂

Temp. pracy: 100 – 200^OC Zast– technika kosmiczna i

wojskowa (łodzie podwodnne i pojazdy pancerne), transport

Ogniwo polimerowe (membranowe)

SPFC

(Solid Polymer Fuel Cell)

Jonowymienna membrana z polimeru sulfono – fluoro - węglowego

Platynowe Wodór H₂, metanol CH₃OH Paliwo musi być pozbawione CO

Temp. pracy: <120^OC

Zast- głównie transport, pojazdy kosmiczne i wojskowe

Ogniwa kwasu fosforowego PAFC

(Phosphoric Acid Fuel Cell)

Stężony kwas fosforowy (100%)

Platyna naniesiona na podłoże węglowe spajane teflonem

Wodór H₂, gaz ziemny, nafta, metanol CH₃OH, biogaz.

Paliwo musi być odsiarczone i pozbawione CO

Temp. pracy: 150-200^OC Zast- jako źródło energii

elektrycznej i cieplnej w obiektach użyteczności publicznej (szpitale, biura, hotele, niewielkie osiedla mieszkaniowe)

Ogniwa węglanowe (stopionych węglanów)

MCFC

(Molten Carbonate Fuel Cell)

Mieszanina węglanów alkaicznych (Li, K, Na)

Anoda – porowaty nikiel z dodatkiem chromu.

Katoda – porowaty tlenek niklu dotowany litem

Gaz ziemny ,metanol CH₃OH , biogaz.

Paliwo musi być konwertorowane na gaz zawierający wodór H₂ w odrębnym urządzeniu- reforming zewnętrzny lub reforming wewnętrzny z wykorzystaniem ciepła reakcji

elektrochemicznej.

Utleniacz to powietrze z dodatkiem CO₂

Temp. pracy: 600-700^OC Wysokotemperaturowe ogniwa

węglanowe umożliwiają wykorzystanie

produkowanego ciepła do celów grzewczych i w procesach technologicznych.

Ogniwa tlenkowe SOFC

(Solid Oxide Fuei Cell)

Nieporowaty stały tlenek metalu najczęściej cyrkonu ZrO₂ stabilizowany tlenkiem itru Y₂O₃

Gaz ziemny ,biogaz.

Paliwo musi być konwertorowane na gaz zawierający wodór H₂ w odrębnym urządzeniu- reforming zewnętrzny lub reforming wewnętrzny z wykorzystaniem ciepła reakcji

elektrochemicznej.

Temp. pracy: 900-1000^OC

Ogniwa te znajdują się w fazie prac badawczych i ich

zastosowanie w większej skali jest jeszcze odległe.

Termodynamika ogniw paliwowych

Maksymalny współczynnik sprawności konwersji, obliczony w oparciu o prawa termodynamiki, tzw. sprawność termiczna OP wynosi

http://zoise.wel.wat.edu.pl/

I zasada termodynamiki

].

Zmiana energii wewnętrznej układu zamkniętego jest równa energii, która przepływa przez jego granice na sposób ciepła lub pracy^[2

L Q

U  



Entalpia swobodna

V p U

H  

Przyrost entalpii

V p

L Q

V p

U H

H

H  

_prod

 

_subs

       



Przyrost entalpii molowej układu H jest równy różnicy przyrostów entalpii molowej produktów reakcji H_prod oraz substratów H_subs

Termodynamik ogniw paliwowych

Procesy w ogniwie paliwowym zachodzą w warunkach izotermiczno-izobarycznych

Potencjał termodynamiczny – jako funkcja stanu

S T H

G  

Ilość energii uwalnianej podczas reakcji zachodzących w ogniwie paliwowym

 ^{H T S}  ^{H T S G}

^prod

^G

^subs

G           



Termodynamik ogniw paliwowych

 ^{H T S}  ^{H T S G}

^prod

^G

^subs

G           



W OP po stronie katody

2

2

2

2 1

2 H e O

Q O

H  

^



^



Entalpia molowa dla reakcji

 

₂

 

₂

 

₂

2

,

_H

1

_O

O subs

prod

G

H

G G G

G       



Termodynamika ogniwa paliwowego

 ^{H T S}  ^{H T S G}

^prod

^G

^subs

G           



V p

L Q

V p

U H

H

H  

_prod

 

_subs

       



S T

V p

L Q

S T

H

G          



Praca ogniwa paliwowego

eks el

L L

L  

Praca ogniwa paliwowego jest sumą pracy prądu elektrycznego i pracy ekspansji

Praca prądu elektrycznego pozyskiwanego przez ogniwo L_el, jest równa entalpii swobodnej reakcji ΔG, tak więc można zapisać:

G V

V e F n

E F

n

L

^el

  

_r

   (

_K



_A

)  

Praca ekspansji ładunków elektrycznych wytwarzających różnicę potencjałów elektrod ogniwa

V p

L

^eks

 

Warunki pracy ogniwa paliwowego

Straty

Polaryzacja aktywacji

Polaryzacja stężeniowa Polaryzacja omowa

Straty

Obszar strat kinetycznych – spadek napięcia

związany z procesami aktywacyjnymi, które są związane z powolnością procesów zachodzących na elektrodach

Obszar strat omowych – wzrost gęstości prądu generowanego przez OP jest proporcjonalny do spadku napięcia (linia prosta) Jest następstwem rezystancji elementów ogniwa oraz elektrolitu

Obszar strat transportu masy – stosunkowy duży spadek napięcia na elektrodach ogniwa.

Związany jest z spowolnieniem szybkości dyfuzji reagentów i produktów reakcji przez warstwy gazowo-dyfuzyjne.

Dla przemiany izotermiczno-izobarycznej maksymalna praca nieobjętościowa L, a więc w przypadku ogniw paliwowych praca elektryczna L_el, jest równa entalpii swobodnej reakcji ΔG,

gdzie:

n – liczba elektronów uczestniczących w procesie [-], F – stała Faraday’a [F=96485 C/mol],

E_r – napięcie odwracalne (równowagowe) ogniwa [V].

ΔG – zmiana entalpii swobodnej Gibbsa [J/mol],

G E

F n L

L 

el,max

   

_r

 

Miarą efektywności ogniwa jest teoretyczna sprawność energetyczna (zwana również sprawnością teoretyczną, termodynamiczną, termiczną), η_th. W warunkach

izotermiczno–izobarycznych maksymalna teoretyczna sprawność ogniwa wynosi:

H S T

H

S T

H H

L

el theor





 

 







 

 

^,max

1



H – ciepło reakcji procesu chemicznego (zmiana entalpii) [J/mol], T – temperatura reakcji [K],

ΔS – zmiana entropii w wyniku reakcjii chemicznej [J/K·mol].

Sprawność konwersji ogniwa paliwowego

Sprawność elektrochemiczna

Sprawność rzeczywistego ogniwa jest mniejsza od teoretycznej, co jest powodowane m.in. polaryzacją elektrod, stratami substancji czynnych, itp. Uwzględnia się to poprzez wprowadzenie sprawności elektrochemicznej (napięciowej).

F U

E ter

ech       



Sprawność termiczna i napięciowa ogniwa

e

ter – maksymalna sprawność uzyskana z doskonałego ogniwa paliwowego

H G

ter 

 



e

E – związana ze zjawiskiem polaryzacji napięciowej obciążonego ogniwa i optymalnych warunkach pracy (0,6 – 0.8)

r

E E

 E



E_r - napięcie odwracalne, równowagowe - maksymalne napięcie ogniwa w przypadku przebiegu procesów odwracalnych w ogniwie.

Sprawność Faradaya

stosunek ładunku elektrycznego wytworzonego przez ogniwo do ładunku elektronów

zawartych w zużytym paliwie. Część ładunku elektrycznego atomów paliwa bierze udział w reakcjach ubocznych zachodzących w ogniwie, z tego powodu ładunek elektryczny

uzyskany na „wyjściu” ogniwa jest zawsze mniejszy od ładunku elektronów paliwa dostarczonego do ogniwa.

Sprawność Faraday’a, η_f

z F

n

t I I

I

t

F  

 

 

I – rzeczywisty prąd czerpany z ogniwa [A],

I_t – prąd, który byłby czerpany z ogniwa w sytuacji, gdy nie byłoby żadnych innych procesów pobocznych, zachodzących w trakcie pracy ogniwa i paliwo w całości służyłoby wytworzeniu prądu [A},

t – czas [s], n – liczba moli substratu zużyta w czasie t [-], F – stała Faradaya [C/mol], z

z – liczba elektronów wymienianych w elementarnej reakcji połówkowej [-].

Zalety ogniw paliwowych

- Produkty uboczne jak H₂O, CO₂, N₂ są czyste i bez zapachu,

- Emisja SO₂, NO_X, węglowodorów, tlenków węgla i cząstek stałych – ekstremalnie mała, - Niski poziom hałasu,

- Praktycznie dowolna i zajmująca mało miejsca lokalizacja,

- System modułowy – łatwość, szybkość i ekonomiczność budowy, - Łatwość rozbudowy w miarę rosnących potrzeb,

- Ogniwa paliwowe mogą pracować bez przerwy o ile tylko doprowadzane jest paliwo i utleniacz, - Brak ruchomych części pracujących w trudnych warunkach (brak ścierania elementów, brak drgań, małe problemy wytrzymałościowe).

-Do produkcji ogniw paliwowych (oprócz elektrod) nie jest wymagana precyzja,

- Mogą być zasilane różnymi rodzajami paliwa (gaz ziemny ulega konwersji w samym ogniwie), - Mogą być szybko dostosowywane do zmiennego zapotrzebowania na energię,

- Łatwe instalowanie i całkowita automatyzacja pracy.

Wady ogniw paliwowych

- Niskie napięcie prądu uzyskiwane z pojedynczej celi < 1 V, - Produkcja prądu stałego (czasami jest to zaletą),

- Stosunkowo wysoki koszt inwestycyjny - drogie materiały na katalizatory, - Stosunkowo niewielkie moce uzyskiwane z modułu,

- Ograniczony czas pracy ogniwa (do około 40 000 h),

-Wrażliwość na zanieczyszczenie paliwa (w różnym stopniu, zależnie od typu ogniw).

-Problem z transportem i magazynowaniem paliwa - Wytwarzanie wodoru

Magazynowanie wodoru

Mimo że wodór jest najbardziej obfitym pierwiastkiem w całym wszechświecie, praktycznie nie występuje w

środowisku Ziemi, ani w stanie stałym, ani w ciekłym..

Wodór trzeba wyprodukować

Wytwarzanie wodoru

źródła wodoru źródła energii do

odseparowania gazu.

W obecnej chwili 48% produkowanego wodoru powstaje w efekcie reformingu metanu przy użyciu pary wodnej, 30% z ropy naftowej głównie w rafineriach, 18% z węgla a pozostałe 4% z elektrolizy wody

Wytwarzanie wodoru

Reforming benzyny polega na zwiększeniu liczby oktanowej w procesie odwodornienia węglowodorów nasyconych i

otrzymaniu aromatycznych.

Proces reformingu benzyny

C₆H₁₂ → C₆H₆ + 3H₂ C₆H₁₄ → C₆H₆ + 4H₂

Reforming metanu parą wodą

Konwersja metanu lub innego węglowodoru przeprowadza się w rurkach ceramicznych wzbogaconych niklem odgrywającym rolę katalizatora. Reforming metanu parą wodną jest obecnie najpowszechniejszą przemysłową metodą otrzymywania wodoru.

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ CO + H₂O → CO₂ + H₂

Wytwarzanie wodoru

Wodór może być produkowany przez najróżniejsze mikroorganizmy jako produkt

uboczny procesu fotosyntezy. Jednym z przykładów takiego mikroorganizmu może być glon Chlamydomonas reinhardtii, który w momencie usunięcia siarczanów z pożywki zaczyna wytwarzać wodór w efekcie działania enzymu hydrogenaza. Gazowy wodór generowany jest w ilości 4 ml/h z litra kultury tych alg.

Metody biologiczne

Metoda Habera-Boscha

Rozkład pary wodnej przy użyciu rozgrzanego do 1200oC koksu prowadzi do powstania wodoru mocno zanieczyszczonego tlenkiem węgla. W trakcie tego procesu, tlenek węgla może być usunięty poprzez przeprowadzenie reakcji katalitycznej w obecności związków Fe₂O₃ i Cr₂O₃.

C + H₂O → CO + H₂

CO + H₂ + H₂O → CO₂ + H₂

Wodór - magazynowanie

Sprężony w postaci gazowej

Do sprężenia wodoru potrzebne są duże nakłady energii a mała gęstość wodoru sprawia, iż nawet pod dużymi

ciśnieniami zgromadzona jest mała ilość energii użytecznej.

To natomiast prowadzi do dużych objętości zbiorników, jak i wysokich kosztów materiałów.

Wodór przechowywany jest w temperaturze ok. 298 K i w zakresie ciśnień od 150 do 800 bar.

http://www.ogniwa-paliwowe.info

Wodór - magazynowanie

W postaci ciekłej

Skroplenie wodoru wymaga znacznie wyższych nakładów energii niż jego sprężenie. Musi być on przechowywany w temperaturze 20 K, co prowadzi do wysokich kosztów

materiałowych. Nie nadaje się do pracy ciągłej

http://www.ogniwa-paliwowe.info

Wodór- magazynowanie

Chemiczne wodorki metali

Wodór może być również magazynowany w postaci związków chemicznych takich jak CaH₂, KH, LiH, NaH, LiBH₄, NaBH₄.

Reakcja odzysku wodoru stosunkowo prosta

NaBH₄ + 2H₂O → 4H₂ + NaBO₂

http://www.ogniwa-paliwowe.info

Wodór - magazynowanie

Fizyczne wodorki metali

Wodór może być zaadsorbowany na powierzchni stopów niklu (np.

LaNi₅) i chromu (np. ZrCr₂). Podczas napełniania zbiorników

wodorem wydziela się energia w postaci ciepła, która najczęściej jest tracona. Analogicznie, do odzyskania wodoru potrzebne jest

dostarczenie ciepła do zbiornika, a prędkość wydzielania się wodoru jest uzależniona od ilości dostarczonej energii.

http://www.ogniwa-paliwowe.info

Wytwarzanie wodoru

Problem

Wodór ma 2700 razy mniejszą gęstość energetyczną, niż klasyczne paliwo..

1.kompresja 2. skroplenie 3. użycie związków

chemicznych

Wodór jest

najtrudniejszym gazem do kompresji, sprawność wynosi 55%.

Wymaga bardzo silnych i ciężkich cystern i pojemników do przechowywania

Skroplony wodór

(zamiana w stan ciekły) ma tę zaletę, że nie wymaga tak ciężkich pojemników (chociaż nadal jest to około 3 razy więcej przestrzeni, niż zajmuje benzyna), jednak wówczas sprawność wynosi 40%.

Część ciekłego wodoru

nieuchronnie "ucieka" z pojemnika samochodu w tempie 3-4%

dziennie.

Gaz można wymieszać z

wodorkami metali, które pełnią rolę gąbki. Jeśli nie liczyć strat energii przy produkcji elektryczności, sprawność wynosi około 60%.

Zastosowanie

Zjawiska termoelektryczne

Przepływ prądu w przewodnikach

e  e

e ^

  



 env en J

_e

Natężenie strumienia ciepła

e

e

J

e J v q

n q

Q       

Gęstość prądu

Zjawiska termoelektryczne

Efekt bezpośredniej konwersji napięcia elektrycznego występującymi na styku dwóch ciał na różnicę temperatur między tymi punktami lub odwrotnie różnicy temperatur na napięcie elektryczne

termopara

Zjawiska termoelektryczne

W zależności od kierunku transformacji

Zjawisko Seebecka

Zjawisko Thomsona

Zjawisko Peltiera

Zjawiska termoelektryczne

+ + + + +

- - - - -

A B

n_a > n_b

Zetknięcie metalu A (o większym zagęszczeniu elektronów swobodnych) z metalem B (o mniejszym zagęszczeniu elektronów swobodnych) powoduje wytworzenie po obu stronach powierzchni granicznej S podwójnej warstwy ładunków

Zjawisko Seebecka

Thomas Seebeck

występuje gradient temperatury

układ zawiera dwa różne metale lub półprzewodniki - jeden z niedoborem elektronów, a drugi z ich nadmiarem - zwykle w postaci przewodów połączonych ze sobą przez lutowanie (tzw. termoelement);

T₁ A V

B

B

+

- T₂

Siła termoelektryczna

 ^T

₂

^T

₁



U

_AB

   

Zjawisko Peltiera

A

B

B

I

T₁ T₂

Jean Charles Peltier Strumień ciepła Peltiera

I Q   

1834 roku francuski fizyk zauważa, że po utworzeniu obwodu z dwóch rodzajów drutu (bizmut i miedź) oraz po podłączeniu ich do źródła energii elektrycznej, jedno złącze się ogrzewa a drugie ochładza

Zjawisko Thomsona

Wiliam Thomson

Jeżeli między końcami odcinka jednorodnego przewodnika, przez który płynie prąd , istnieje różnica temperatur T, to na

odcinku tym jest wydzielane lub pochłaniane ciepło z szybkością proporcjonalnej do I

T γ I

dt

dQ ^{ } 

Przyjęto umownie, że g > 0, jeżeli przepływowi dodatniego prądu w kierunku spadku temperatury (T < 0 ) towarzyszy wydzielanie się ciepła (Q < 0).

Moduł Peltiera

Elementy

półprzewodnikowe

„p” i „n” Płytki

ceramiczne

„Gorąca strona” – ciepło odprowadzane

Miedziane łączniki

„Zimna strona” – pochłanianie ciepła

„Słupki” pod względem elektrycznym połączone są ze sobą szeregowo, a pod względem cieplnym – równolegle

Zastosowanie modułów termoelektrycznych

•przechowywaniu i transporcie tkanek oraz preparatów biologicznych,

•komorach klimatycznych,

•chłodzeniu nagrzewających się elementów elektronicznych, w tym m.in. procesorów i kart graficznych komputerów,

•

•chłodzeniu generatorów wysokiej mocy,

•chłodzeniu diod laserowych,

•termostatach do akwarium i terrarium,

•przenośnych lodówkach,

•komorach do przechowywania win,

•innych procesach i urządzeniach wymagających precyzyjnej regulacji temperatury

Zastosowanie modułów

termoelektrycznych w OŹE

termoelektrogeneratory na energię słoneczną termoelektrogeneratory na energię geotermalną spalarnie śmieci

odsalanie wody