KATEDRA CHEMII NIEORGANICZNEJ I ANALITYCZNEJ

Ogniwa galwaniczne i paliwowe(Zastosowanie procesów elektrochemicznych)

Sławomir Domaga ła

na podstawie materiałów Prof. dr hab. Henryka Schol la

AKADEMIA CIEKAWEJ CHEMIIAKADEMIA CIEKAWEJ CHEMII

UNIWERSYTET UNIWERSYTET ŁŁÓÓDZKIDZKI

WYDZIAWYDZIAŁŁ CHEMIICHEMII

Alessandro Volta, buduj ąc swoje pierwsze ogniwo galwaniczne, nie zdawał sobie sprawy, Ŝe 200 lat po jego odkryciu ka Ŝdy człowiek będzie mógł zaopatrzy ć się w mał ą, chemiczn ą elektrowni ę.

Człowiek mo Ŝe obecnie produkowa ć prąd elektryczny w dowolnym miejscu na Ziemi i w Kosmosie.

Ogniwa s ą wszędzie: w radiach, samochodach, komputerach, lampach, pojazdach kosmicznych i w tysi ącach innych urz ądzeniach i systemach.

Warto wi ęc zapozna ć się z ich histori ą, działaniem oraz perspektywami ich wykorzystania w przyszło ści:

• zwiększaniem ich wydajno ści• produkcji energii na masow ą skal ę, • redukcji zanieczyszcze ń środowiska,

spowodowanych prac ą konwencjonalnych elektrowni węglowych.

Prawdopodobnie pierwsze ogniwa galwaniczne znane były ju Ŝ w III w p.n.e.

Pierwszym odkrytym ogniwem było znalezisko z 1936 r. w Chud Ŝat Rabua (koło Bagdadu) dokonane przez niemieckiego archeologa - Wilhelma Königa

•było to naczynie z gliny zatkane korkiem osadzonym w asfalcie

•wewnątrz znajdował si ę skorodowany miedziany walec

•Koenig przypuszczał, Ŝe było to ogniwo galwaniczne

•opisał je w swojej ksi ąŜce

•niestety znalezisko Koeniga uległo zniszczeniu podc zas II wojny światowej

•w latach 60-tych XX wieku archeologowie znale źli podobny przedmiot w okolicach Bagdadu

•przypomniano sobie o hipotezie Koeniga

•zrekonstruowano owe hipotetyczne ogniwa

•wypełniono je roztworami kwasów znanych w Mezopotamii w tamtych czasach:

– roztworami kwasu octowego i cytrynowego.

• baterie zacz ęły działa ć !

ustalono zastosowanie owych ogniw :

•jeszcze do niedawna bagdadzcy złotnicy u Ŝywali do złocenia małych przedmiotów własnych ogniw galwanicznych

Informacje podstawowe

- definicje

Rodzaje ogniw

Ogniwa dzielimy na pierwotne i wtórne .

� Pierwotne po wyczerpaniu nie nadaj ą się do dalszego u Ŝytkowania,

� Wtórne moŜna regenerowa ć przez ładowanie.

Przykładem ogniwa pierwotnego jest ogniwo Lecklanch e'go

Ogniwami wtórnymi s ą akumulatory

Luigi Galvani (1737-1798)Włoski lekarz, fizyk i fizjolog. Profesor Uniwersytetu w Bolonii.Prekursor bada ń elektrofizjologicznych.

W 1786 roku Galvani dokonał słynnego odkrycia

przy jednoczesnym dotkni ęciu mi ęśnia wypreparowanej ko ńczyny Ŝaby dwoma ró Ŝnymi metalami - poł ączonymi ze sob ą jednym końcem - mi ęsień kurczy si ę

Strona z notatnika

Galvaniego

Michael Faraday (1791–1867), fizyk i chemik angielski, profesor Instytutu Królewskiego i Uniwersytetu w Oksfordzie, stworzył podstawy elektrochemii.

Statua

M. Faraday’a statue

plac Savoy Londyn

Svante Arrhenius (1859 - 1927), profesor Uniwersytetu w

Sztokholmie, odkrył przewodnictwo elektryczne elektrolitów.

I Prawo Faradaya

Masy substancji wydzielonych podczas elektrolizy na elektrodach s ą wprost proporcjonalne do wielko ści ładunku elektrycznego, który przepłyn ął przez elektrolit.

m=kQ m – masa substancji wydzielonych na elektrodzie (kat odzie lub

anodzie), [g] Q – ładunek elektryczny, [C]

Q=Itt – czas przep ływu pr ądu, [s] I – nat ęŜenie pr ądu, [A]

m=kItk – wspó łczynnik proporcjonalno ści – masa substancji wydzielona

na elektrodzie przez ładunek 1C, tj. przez pr ąd o nat ęŜeniu 1A w ciągu 1s.

Elektroliza – wszystkie zjawiska zwi ązane z reakcjami przebiegaj ącymi na metalowych/grafitowych elektrodach, podczas przepływu przez elektrolit prądu stałego.

II Prawo Faradaya

Jednakowe ładunki elektryczne wydzielaj ą z róŜnych elektrolitów masy substancji proporcjonalne do ich równowa Ŝników chemicznych.

JeŜeli wydzielone masy oznaczymy jako m1 i m2, a odpowiednie równowa Ŝniki chemiczne jako Eq1 i Eq2 to otrzymamy:

2

1

2

1

EqEq

mm ====

Itkm

Itkm

22

11

========

2

1

2

1

EqEq

kk ==== const

kEq

kEq

2

2

1

1 ========

Stosunek Eq/k – nosi nazw ę Stałej Faradaya (F).

Jest to ładunek potrzebny do wydzielenia na elektro dzie jednego mola substancji F = 96486,7 (lub mniej dokładnie: C - 96500 C )

(1 kulomb (C) = 1 A (amper) × 1 sek).1F = qe (ładunek elektronu) × 6,023 × 10 23 = 1,602 × 10-19 C × 6,023 × 1023 = ok. 96500C

Katoda - jest elektrod ą, na której

zachodzi proces redukcji (pobierania

elektronów z elektrody)

Anoda - jest elektrod ą, na której

zachodzi proces utleniania (dostarczanie

elektronów do elektrody).

Aby proces utleniania i redukcji mógłzachodzi ć:

1. potencjał katody musi być bardziej ujemny od potencjału oks1/red1

2. potencjał anody musi być bardziej dodatni od potencjału oks2/red2 – nadpotencjałrozkładowy .

Reakcje zachodz ące na elektrodach :

K: oks1 + n1e → red1

A: red2 → oks2 + n2e

n2oks1 + n1red2 → n2red1 + n1oks2

Ogniwo galwaniczne – to układ, w którym zachodzi proces przemiany energii chemicznej w energi ę elektryczn ą, moŜliw ą do zmierzenia i praktycznego wykorzystania.

•dwa półogniwa zanurzone w elektrolicie tworz ą ogniwo galwaniczne

•róŜnica potencjałów półogniw, gdy przez ogniwo nie pły nie pr ąd, jest równa sile elektromotorycznej ogniwa (SEM)

Zapis budowy ogniwa:

Zn|Zn(NO3)2 KNO3 Cu(NO3)2|Cu

Siła elektromotoryczna ogniwa

Wielko ścią charakteryzuj ącą ogniwo galwaniczne, jest ró Ŝnica potencjałów

między elektrodami ( ściślej ró Ŝnica potencjałów wewn ętrznych przewodów

łącznikowych), wtedy gdy ogniwo jest w równowadze, a więc, gdy nie płynie

przez nie pr ąd wypadkowy (ogniwo otwarte).

Siła elektromotoryczna ogniwa ( SEM )

jest miar ą zdolno ści reakcji ogniwa do spowodowania przepływu elektro nów przez obwód

SEM ogniwa definiuje si ę jako ró Ŝnicę potencjałów elektrody dodatniej (o wy Ŝszej warto ści

potencjału E katoda ) i ujemnej (E anoda ) dla ogniwa otwartego, czyli takiego, w którym obw ód

elektryczny nie jest zamkni ęty, a opór mi ędzy biegunami ogniwa jest niesko ńczenie wielki.

SEM = Ekatoda - Eanoda = E

Ogniwa st ęŜeniowe

ogniwa, w których przebiega samorzutny proces przen iesienia roztworu elektrolitu z roztworu st ęŜonego do roztworu rozcie ńczonego

• jeŜeli roztwory poł ączone s ą ze sob ą za pomoc ą klucza elektrolitycznego to mamy ogniwo st ęŜeniowe bez przenoszenia

np.:

(-) Cu|CuSO 4(c1)||CuSO4(c2)|Cu (+) (c1<c2)

Półogniwem nazywamy układ, w którym istnieje równowaga pomi ędzy dwoma ró Ŝnymi co do stopnia utlenienia formami tej samej substancji.

Reakcja opisuj ąca tę równowag ę jest reakcj ą połówkow ą red-ox

jeśli mamy metal w wodnym roztworze jego soli,

np. drut Cu w roztworze siarczanu miedzi(II):

Na powierzchni metalu ustali si ę natychmiast równowaga

Cu Cu+2 + 2e-

Równanie Nernsta

Potencja ł półogniwa (mierzony wzgl ędem SEW) mo Ŝna obliczy ć za pomoc ąrównania Nernsta:

E0 - potencja ł standardowy (wielko ść charakterystyczna dla danego układu),

R - sta ła gazowa, 8.314 J/mol ××××KT - temperatura w ska łi Kelvina, F - sta ła Faraday'a (96450 C), n - liczba elektronów przenoszonych w reakcji red-ox .

po podstawieniu sta łych liczbowych i zamianie ln na log otrzymujemy:

gdy: a utl = [utl] i a red = [red]

red

utl0

aa

lnnFRT

EE ++++====

red

utl0

aa

logn059.0

EE ++++====

]red[]utl[

logn059.0

EE 0 ++++====

Ogniwa

galwaniczne

Pila di Volta

Alessandro Volta (1745-1827), fizyk,

profesor na uniwersytetach w Como i Pavii we Włoszech.

Jako pierwszy zbudował ogniwo galwaniczne.

Alessandro Volta prezentuje ogniwo Napoleonowi

(obraz G. Bertiniego z 1897 r.)

muzeum Volty w Como

budowa:

blaszki Zn i Cu zanurzone w wodnym roztworze H2SO4

Schemat ogniwa

- Zn | H2SO4 | Cu +.

Ogniwo Volty – SEM ok. 1,1 V.

Pila di Volta Ogniwo Volty w pierwotnej wersji składało si ę:

1. z ustawione w kolumn ę monet dwóch rodzajów – miedzianych i cynkowych, uło Ŝonych przemiennie jedna na drugiej

2. oddzielonych (co druga) papierem nawil Ŝonym w słonej wodzie

Na anodzie zachodzi proces utleniania cynku

Takie zjawisko jest mo Ŝliwe dzi ęki ró Ŝnicy potencja łów elektrodowych.

Potencjał cynku jest bardziej ujemny od potencjału wodoru, dlatego cynk „łatwiej” oddaje elektrony i przechodzi do roztworu w postaci jonów Zn2+

Zjawisko obrazuje równanie:

A (-) Zn → Zn2+ + 2e-

Dzięki nagromadzeniu si ę na płytce cynkowej wolnych elektronów, jej ujemny potencja ł rośnie i staje si ę ona ujemnym biegunem ogniwa.

Kationy wodorowe d ąŜą w tym czasie do płytki miedzianej

Spowodowane jest to zjawiskiem nadnapi ęciowego wydzielania wodoru.

Na skutek poł ączenia elektrod, elektrony „ wędruj ą" w kierunku elektrody miedzianej w celu wyrównania ich gęstości na obydwóch płytkach.

Poniewa Ŝ Cu ma mniejsze nadnapi ęcie wydzielania wodoru, protony redukuj ą się na elektrodzie miedzianej.

K (+) 2H+ + 2e- → H2↑

jony SO42- spełniaj ą tylko rol ę przeciwjonów dla H3O+ i Zn2+

Ogniwo Daniella

John Frederic Daniell (1790 – 1845) chemik i fizyk angielski

został pierwszym profesorem chemii w nowo zało Ŝonym King’s College of London

oprócz ogniwa, wynalaz ł higrometr (Quar. Journ. Sci., 1820), pirometr (Phil. Trans., 1830);

oraz barometr wodny

The Maughan Library on Chancery Lane is the College's main library

Chapel on the Strand Campus

Ogniwo Daniella –• pierwsze półogniwo stanowi płytka Zn zanurzona w ZnSO4

• drugie półogniwo płytka Cu zanurzona w roztworze CuSO4

•oba półogniwa nie stykaj ą się ze sob ą bezpośrednio lecz s ą poł ączone kluczem elektrolitycznym - najczęściej wykonanym z roztworu (KCl) w agarze.

•klucz elektrolityczny:

• zapobiega mieszaniu si ę roztworów elektrolitów

• oraz zapobiega gromadzeniu si ę nadmiaru ładunku

na anodzie :

Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e-

na katodzie :

Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) .

Kolejnym udoskonaleniem ogniwa wytwarzaj ącego pr ąd, było wyeliminowanie pewnych niedogodno ści, które ujawniały si ę po pewnym czasie u Ŝytkowania ogniwa:

1.zbieranie si ę na elektrodzie miedzianej p ęcherzyków wodoru, które zmniejszały jego reaguj ącą powierzchni ę

2. wytr ącanie si ę osadu siarczanu cynku na płytce cynkowej

3.stały wzrost oporu wewn ętrznego ogniwa i zmniejszenie napi ęcia na jego biegunach

Rozwiząniem tych problemów zaj ął się -

francuski chemik, Georges Leclanché

• zastąpił on płytk ę Cu - pręcikiem grafitowym, pozostawiaj ąc cynk jako biegun ujemny

• jako elektrolitu u Ŝył st ęŜonego roztworu NH 4Cl

• w celu depolaryzacji pokrywaj ącej si ę wodorem elektrody w ęglowej, umieścił j ą w płóciennym woreczku, wypełnionym MnO 2 z domieszk ągrafitu

• MnO2 utleniał wodór do wody, która nie zatrzymywa ła jonów wodorowych

Georges Leclanché (1839-1882), chemik francuski, uko ńczył Oxford i École Centrale Paris wynalazł ogniwo galwaniczne w ęglowo-cynkowe, zwane suchym ogniwem Leclanchégo.

laboratorium Leclanché’go

rue de Bellefond/ rue de Laval w Pary Ŝu École Centrale Paris

Płócienny woreczek

Dwutlenek manganu

Elektroda Grafitowa

Katoda w ogniwie Lechlanchégo

ogniwo Lecklanche'go:•kubek cynkowy b ędący jednocze śnie biegunem ujemnym

•wewn ątrz kubka jest elektrolit w postaci pasty zło Ŝonej z:

• NH4Cl, niewielkiej ilo ści ZnCl 2, H2O oraz ziemi okrzemkowej albo innego wypełniacza

• w paście umieszczony jest pręt węglowy (grafitowy) otoczony woreczkiem zawieraj ącym drobno sproszkowany MnO2

• pręt węglowy zaopatrzony jest na ko ńcu w przykrywk ę mosie Ŝnądla lepszego kontaktu z pretem w ęglowym.

• jest on w tym ogniwie biegunem dodatnim .

na anodzie przechodz ą do roztworu jony cynkowe, po czym reaguj ą z NH4Cl :

Anoda Zn → Zn2+ + 2e-

2 NH4Cl + Zn 2+ → Zn(NH3)2Cl2 + 2 H+

na grafitowej katodzie następuje proces redukcji jonów wodorowych, a powstały w wyniku reakcji H2 łączy si ę z MnO2 tworz ąc mi ędzy innymi wodorotlenek manganu(III)

Katoda 2 H+ + 2MnO2 + 2e- → 2 MnO(OH)

Działanie c.d.

Bezpośrednim źródłem SEM w ogniwie Leclanchégo s ą:

�reakcje utleniania Zn ( elektroda cynkowa )

�redukcji jonów amonowych ( elektroda w ęglowa ):

Zn → Zn2+ + 2e-

2NH4+ + 2e- → 2NH3 + H2↑

Powstaj ący NH3 jest wi ązany przez Zn2+ w kompleks tetraaminacynkowy(II):

Zn2+ + 4NH3 → [Zn(NH 3)4]2+

Natomiast powstaj ący H2 jest wi ązany przez tlenek manganu(IV) , który pełni rol ędepolaryzatora :

2MnO2 + H2 → Mn2O3 + H2O

Ogniwo Leclanchego zmodyfikował jago brat i syn:

1.zastępując roztwór NH 4Cl trocinami nas ączonymi tym związkiem

2.a cynkow ą płytk ę, cynkowym cylinderkiem

Powstałe po modyfikacjach ogniwo było podobne do dzisiejszych baterii typu UM-2

•Obecnie najpopularniejsze ogniwo galwaniczne:

•R3/AAA, R6/AA ( tzw. paluszek ), R10, R14, R20 ( U = 1,5 V)

•„baterie” płaskie (U= 4,5 – trzy ogniwa poł ączone szeregowo)

•powszechnie ( i błędnie ) uŜywana nazwa bateria wynika z faktu, Ŝe kiedy upowszechnia ł się sprz ęt z zasilaniem bateryjnym, wymagane napi ęcia mo Ŝliwe by ły do uzyskania jedynie z kilku ogniw - czyli baterii

ogniwo cynkowe1 - metalowe wieczko (+)2 - grafitowy pr ęt (dodatnia elektroda)3 - cynkowy pojemnik (ujemna elektroda)4 – MnO25 - wilgotna pasta NH 4Cl (elektrolit)6 - metalowe denko (-)

Raymond Gaston Planté (1834-1889)

fizyk i chemik francuski, wynalazca ogniwa wielokrotnego u Ŝytku

rozpocz ął prac ę w Conservatoire National des Arts et Métiers w Pary Ŝu a nast ępnie jako profesor prowadziłkatedę fizyki w Polytechnic Association for the Development of Popular Instruction

Conservatoire National des Arts et Métiers w Pary Ŝu

gdzie równie Ŝ zostało zaprezentowane słynne

wahadło Foucault’a – obecnie w Panteonie

AKUMULATOR OŁOWIOWY (U = 2,23 V)

najbardziej popularne odnawialne źródło pr ądu elektrycznego

Pb | H2SO4 | PbO2 | Pb

ANODA:

Pb(staly) + HSO4- + H2O → PbSO4(sta ły) +2e + H3O+

KATODA:

PbO2(sta ły) + HSO4- + 3 H3O+ + 2e → PbSO4(sta ły) + 5 H2O

sumaryczna reakcja:

rozładowanie

Pb + PbO2 + 2 H2SO4 ↔ 2 PbSO4 + 2 H2O ładowanie

pierwsze ładowanie akumulatora:

na anodzie:

A (+) Pb + 2 H2O → PbO2 + 4 H+ + 4e-

• elektroda pokrywa si ę stopniowo osadem PbO2

• obfite wydzielanie si ę gazu na anodzie, po pokryciu osadem całej jej powierzchni jest oznak ą naładowania akumulatora:

A (+) 2 H2O → O2↑ + 4 H+ + 4e-

na katodzie ulegaj ą redukcji kationy wodorowe:

K (-) 4 H+ + 4e- → 2 H2↑

podczas pobierania pr ądu z ogniwa (podczas pracy ogniwa) ,

ołowiana anoda reaguje z kwasem siarkowym, tworz ąc osad PbSO 4

A (-) Pb + H2SO4 → PbSO4 + 2 H+ + 2e-

na katodzie w miejsce PbO2 wytr ąca si ę osad PbSO 4 oraz powstaje H2O, po wczesniejszej redukcji wodoru oraz reakcji:

K(+) PbO 2 + H2SO4 + 2 H+ + 2e- → PbSO4 + 2 H2O

•gęstość elektrolitu zmniejsza si ę, poniewa Ŝ zuŜywany jest kwas siarkowy

•dodatnia podczas ładowania anoda staje si ę dodatni ą katod ą, poniewa Ŝ, biegn ą na niej kolejno procesy utleniania i redukcji

•powstaj ący osad PbSO 4 zwiększa opór wewn ętrzny ogniwa, zmniejszaj ąc jego SEM

•podczas ponownego ładowania akumulatora zachodz ące procesy wygl ądają nieco inaczej ni Ŝ pierwotnie:

A (+) PbSO 4 + 2 H2O → PbO2 + H2SO4 + 2 H+ + 2e-

K (-) PbSO 4 + 2 H+ + 2e- → Pb + H2SO4

• podczas ponownego ładowania g ęsto ść elektrolitu ro śnie

• pełne naładowanie akumulatora wi ąŜe się z intensywnym wydzielaniem gazów, zwi ązanym z elektroliz ą wody

•produkcja akumulatorów ołowiowych zu Ŝywa ponad 60% światowej produkcji metalicznego ołowiu mimo dobrze opracowanego system u regeneracji zuŜytych akumulatorów

•podstawow ą WADĄ akumulatora ołowiowego jest jego wysoki ci ęŜar i zawarto ść Pb

•pozostałe mankamenty pierwotnej konstrukcji akumula tora ołowiowego udało się wyeliminowa ć i przedłu Ŝyć jego prac ę

•zastosowano kompozycje elektrolitu zawieraj ące odpowiednie inhibitory, poprawiono obudow ę i zaciski poboru pr ądu

•przede wszystkim zmieniono system ładowania: zamias t pr ądnicy pr ądu stałego wprowadzono alternator, czyli pr ądnic ę prądu zmiennego z przetwornic ą

skonstruowany w 1899 roku przez szwedzkiego naukowca Waldemara Jungneraunowocze śniony przez T. A. Edisona .

•zbudowany jest z płyt stalowych w postaci ramek i dz iurkowanej blachy

• elektroda dodatnia : wodorotlenek niklu , nikiel i grafit

• elektroda ujemna – sproszkowane Fe i Cd

•płyty dodatnie poł ączone s ą ze stalow ą obudow ą akumulatora

•jako elektrolit stosowany jest ok. 21% roztwór KOH lub LiOH

AKUMULATOR śELAZOWO – NIKLOWY (U = 1,40 V)

(akumulator Edisona lub NiFe )

Sumaryczna reakcja elektrodowa ma posta ć

roz ładowanie

Fe + 2 NiOOH + 2 H2O ⇔⇔⇔⇔ 2Ni(OH)2 + Fe(OH)2 (1.15.)

ładowanie

Zastosowanie tego akumulatora:

przewa Ŝnie w jego zminiaturyzowanej formie – m.in. do zasilania przeno śnych urządzeń elektronicznych, zegarów, itp.

Thomas Alva Edison (1847 – 1931) – genialny samouk był wynalazc ą i wła ścicielem ponad stu patentów, w tym unowocze śnił i zastosował praktycznie akumulator Ŝelazowo -niklowy.

Powiadał on :

JEŚLI CZEGOŚ NIE MOśNA SPRZEDAĆ, TO NIE WARTO O TYM MYŚLEĆ

Akumulator zasadowy NiFe ma budow ę:

Fe | KOH | NiO(OH) | Ni

katoda: NiO(OH) i metaliczny kadm anoda

•duŜa wydajno ść prądowa

•wyst ępuje w nich uci ąŜliwy efekt pami ęci

•powinny by ć rozładowywane i ładowane w pełnych cyklach

•efekt pami ęci mo Ŝna naprawi ć ładowark ą z funkcj ą refresh .

•obecnie s ą prawie całkowicie wyparte przez ogniwa Ni-MH i litowo-polimerowe

Akumulator niklowo-kadmowy (NiCd)

AKUMULATOR KADMOWO – NIKLOWY (U = 1,35 – 1,40 V)

budowa akumulatora:

Cd | KOH | NiOOH | Ni

anoda: Cd + 2OH- → Cd(OH)2 + 2e-

katoda: NiO(OH) + H2O + e- → Ni(OH)2 + OH-

sumaryczna reakcja elektrodowa:

roz ładowanie

Cd + 2 NiO(OH) + 2 H2O ⇔⇔⇔⇔ 2 Ni(OH)2 + Cd(OH)2ładowanie

•pierwsze akumulatorki Ni-Cd w postaci paluszków AA (R6) miały pojemno ść 500 mAh

•obecnie pojemno ść większa ni Ŝ 2000 mAh

•napięcie znamionowe wynosi ok. 1,2 V

Spotykane oznaczenia: KR3, KR6, KR14 itd. (analogicznie

do R3, R6, R14 itd.);

KR11/45 (rozmiar R3), KR15/51 (rozmiar R6).

Wady:

1. zuŜyte s ą niebezpieczne dla środowiska, a liczba odpowiednich zakładów utylizacj i i miejsc składowania takich akumulatorów jest niewy starczaj ąca;

2.zbyt mały zysk dla firm je produkuj ących – akumulator jest bardzo trwały, a cena nie jest wysoka.

3.mają niŜszą pojemno ść i wi ększą masę od nowocze śniejszych ogniw.

Niedawno jednak pojawiły si ę ogniwa niklowo-wodorkowe nowej generacji ze zmienio nym separatorem, które wykazuj ą się znikomym samorozładowaniem.

Zalety:

1.są stosunkowo tanie, a wiele osób w domach ma ładowark i niezdolne ładowa ćakumulatorów Ni-MH

2. są nadal stosowane w najci ęŜszych zastowaniach, a tak Ŝe w środowiskach zagro Ŝonych wybuchem.

3.są odporne na złe warunki pracy czyli wysok ą temperatur ę (40°C) i przeładowania.

4.nie maj ą tendencji do eksplozji przy wysokiej temperaturze. Dzięki temu s ą one dobrym źródłem energii w trudnych warunkach eksploatacji.

• podstawowy model został opracowany w 1941 roku

• nowe ogniwa maj ą być wydajniejsze i bezpieczniejsze

• niestabilno ść akumulatorów litowo-jonowych prowadzi do ich przegr zania

• akumulatory cynkowo-srebrowe potrafi ą zachowa ć około 25% wi ęcej energii, ni Ŝ i tak ju Ŝ całkiem wydajne odpowiedniki litowo-jonowe.

• ich skład eliminuje mo Ŝliwo ść przegrzania (wykorzystuj ą bowiem niepalny wkład polimerowy).

AKUMULATOR CYNKOWO – SREBROWY

(U = 1,85 V)

Zinc Matrix Power

Budowa akumulatora

Zn | KOH + K 2ZnO2 | AgO lub Ag 2O | Ag

lub

(-)Zn(s)|KOH (aq)(30-40%)|Ag 2O(s)|Ag(+)

Anoda Zn(s) + 4OH-(aq) → [Zn(OH)4]2-

(aq) + 2e-

Katoda Ag 2O(s) + H2O(c) + 2e- → 2Ag (s) + 2OH-(aq)

sumaryczna reakcja elektrodowa:

rozładowanie

2 Zn + 2Ag 2O + 4 KOH ⇔⇔⇔⇔ 2 K2ZnO2 + 4 Ag + + 2 H2O

ładowanie

AKUMULATOR NIKLOWO – CYNKOWY (U = 1,70 V)

schemat ogniwa:

Zn | KOH + K 2ZnO2 | NiO(OH) | Ni

ładowanie:2Ni(OH)2(s) + Zn(OH) 2(s) ↔ 2Ni(OH)3(s) + Zn(s)

rozładowanie: H2O + Zn + 2NiO(OH) ↔ ZnO +2Ni(OH)2

Reakcja sumaryczna

roz ładowanie

2 NiO(OH) + Zn + 2 KOH ⇔⇔⇔⇔ 2 Ni(OH)2 + K2ZnO2

ładowanie

stechiometria reakcji ładowania jest inna ni Ŝ rozładowania ale obie reakcje pod wzgldem sumarycznym s ą takie same cz ąsteczki wody postaj ą i są zuŜywane w obu procesach

PowerGenix NiZn AA

W ostatnich latach stosuje sie ogniwa, w których r eakcje połówkowe są wzięte z krańców tablic warto ści potencjałów standardowych redox:

elektroda E0, Vshe

Li ⇒⇒⇒⇒ Li+ + e - 3,045

Na ⇒⇒⇒⇒ Na+ + e - 2,714

Mg ⇒⇒⇒⇒ Mg2+ + 2 e - 2,363

Ag ⇒⇒⇒⇒ Ag+ + e + 0,799

Cl2 + 2 e ⇒⇒⇒⇒ 2 Cl- + 1,359

F2 + 2 e ⇒⇒⇒⇒ 2 F- + 2,870

Daje to nast ępuj ące mo Ŝliwo ści zestawiania ogniw:

2 Li + F2 ⇒⇒⇒⇒ 2 LiF ∆∆∆∆ E0 = 6,05 V (!! )

3Li + CoF 3 ⇒⇒⇒⇒ 3 LiF + Co ∆∆∆∆ E0 = 3,64 V

Ca + CuF2 ⇒⇒⇒⇒ CaF2 + Cu ∆∆∆∆ E0 = 3,51 V

•takie zestawienie bardzo aktywnych pierwiastków wym aga całkowicie niewodnych roztworów i doskonałych zł ączy elektrycznych

•zapewniaj ą to hermetyczne kapsuły i elektrolity na bazie rozpuszczalników niewodnych takich jak w ęglan propylenu (PC), dimetylosulfotlenek (DMSO) itp.

BATERIE I AKUMULATORY LITOWE

Nazwa ta pochodzi z nazwy kompozytów tlenków metali grupy d z metalicznym litem.

Jako elektrody stosowane s ą przewa Ŝnie materiały o strukturze spineli.

Spinele są to niestechiometryczne tlenki metali o ogólnym wzorze MIMII

2O4, gdzie MI

i M II są atomami ró Ŝnych metali.

Spinele krystalizuj ą w układzie regularnym.

W komórce elementarnej wyst ępuj ąoktaedryczne luki kationowe.

Spinel z Luc Yen

w prowincji Yen Bai, Wietnam

W stanie naturalnym spinele wyst ępują w wielu krajach i ze względu na swe barwy, twardo ść i łatwo ść obróbki s ąuŜywane jako kamienie półszlachetne.

W Polsce niewielkie ilo ści spinelu znaleziono w piaskach złotono śnych okolic Złotoryi, w aluwiach Izery w Karkonoszach.

W te luki wprowadza si ę kationy litowe lub kationowe pary redox .

przykłady

1) Układy na bazie spineli Li-Mn-Cr-O stosowane przewa Ŝnie jako materia ły anodowe:

a) Li 2Mn2O4 ( Li2CrxMn2-xO4) – spinel tetragonalny

b) Li 3MnCrO 5 (Li 1,2Cr0,4Mn0,4O2) – spinel heksagonalny

c) Li 1-δδδδMnxCr1-xO2

2) Spinele innych grup:

a) LiAl xMn2-xO4 (0 ≤≤≤≤ x ≤≤≤≤ 0,6) zwany spinelem popularnym

b) Li [Ni xCo1-2xMnx] O2 (0 ≤≤≤≤ x ≤≤≤≤ 0,5) stosowany jako materia ł katodowy

3) Układy typu:

a) [ LiMn 2O4 | (Li, La) TiO 3 | Stały polimer przewodz ący | Li ]

b) [ LiMnO 4 | (Li, La) V 2O5 | stały polimer przewodz ący | Li ]

Stosowane elektrolity:

najcz ęściej LiPF 6 , LiBF 4 lub LiClO 4

w węglanie propylenu (PC).

Akumulator litowo-jonowy, Varta Akumulator Li-ion 3,7V/700mAh do telefonu komórkowego

Materiał katody U Pojemnść Energia

LiCoO2 3.7 V 140 mA·h/g 0.518 kW·h/kg

LiMn2O4 4.0 V 100 mA·h/g 0.400 kW·h/kg

LiNiO2 3.5 V 180 mA·h/g ? kW·h/kg

LiFePO4 3.3 V 150 mA·h/g 0.495 kW·h/kg

Li2FePO4F 3.6 V 115 mA·h/g 0.414 kW·h/kg

LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2 3.6 V 160 mA·h/g 0.576 kW·h/kg

Li(LiaNixMnyCoz)O2 4.2 V 220 mA·h/g 0.920 kW·h/kg

Materia ł anody U Pojemn ść Energia

Grafit (LiC6) 0.1-0.2 V 372 mA·h/g 0.0372-0.0744 kW·h/kg

Węgiel (LiC6) ? V ? mA·h/g ? kW·h/kg

Tytanit (Li4Ti5O12) 1-2 V 160 mA·h/g 0.16-0.32 kW·h/kg

Si (Li4.4Si) 0.5-1 V 4212 mA·h/g 2.106-4.212 kW·h/kg

Ge (Li4.4Ge) 0.7-1.2 V 1624 mA·h/g 1.137-1.949 kW·h/kg

katoda

LiCoO 2 ↔Li x-1CoO2 + xLi + + xe-

anoda

xLi+ + xe- + 6C ↔ Li xC6

Działanie ogniwa litowo-jonowego

Ograniczenia:

Nadmierne rozładowanie powoduje powstanie Li2O i CoO

Li+ + LiCoO2 ↔LiO2 + CoO

Nadnierne przeładowanie (do 5.2 V) prowadzi do utworzenia tlenku kobaltu(IV)

LiCoO2 ↔Li+ + CoO2

� Akumulatory Li-jonowe powinny by ć ładowane cz ęsto i jak najszybciej po rozładowaniu

� jeśli jednak nie b ędą uŜywane przez dłu Ŝszy okres, powinny zosta ćrozładowane do około 40%.

� W takim stanie akumulator ma znacznie wy Ŝszą Ŝywotno ść.

� Akumulatorów tego typu nie trzeba formowa ć, w przeciwie ństwie do starszych typów

� Akumulator powinien by ć przechowywany w chłodnym miejscu.

� Nie powinien by ć jednak poddawany działaniu mrozu.

� Przechowywanie w wysokich temperaturach (np. nagrza ne samochody)przyśpiesza proces starzenia.

� Akumulatory Li-ion mog ą wyciec, zapali ć się lub wybuchn ąć, jeśli zostan ąnagrzane do wysokich temperatur.

Uwagi eksploatacyjne

Ogniwa Ogniwa Ogniwa Ogniwa

paliwowepaliwowepaliwowepaliwowe

� Ogniwo paliwowe jest urz ądzeniem pozwalaj ącym na ci ągłą przemian ę energii chemicznej paliwa w energi ę elektryczn ą oraz ciepło, tak długo jak, dostarczane jest paliwo i utleniacz.

Definicja

HistoriaHistoriaHistoriaHistoria

� 1838 – odkrycie przez szwajcarskiego chemika Christiana Friedricha Schönbeina zasady działania ogniw paliwowych

� 1839 – stworzenie przez walijskiego naukowca, sir Williama Grove pierwszego działaj ącego ogniwa

� Lata 60-te XX wieku – pierwsze praktyczne wykorzystanie ogniw paliwowych w czasie programów Sojuz, Apollo, Gemini, Skylab do produkcji energii elektrycznej i wody pitnej

� Specjali ści oceniaj ą, Ŝe zastąpienie tradycyjnych metod wytwarzania energii elektrycznej z w ęgla przez ogniwa paliwowe powinno zmniejszy ć emisj ę:

dwutlenku w ęgla o 40% - 60%, tlenków azotu o 50% - 90%.

Zasada działania ogniwa paliwowego

� Rekcja anodowa:

� Rekcja katodowa:

−+ +→ 4e4H2H2

O2H4e 4HO 22 →++ −+

Powstały podczas elektrolizy wody tlen i

wodór ł ączą sięponownie.

Następuje tak Ŝe zamiana elektrod – anoda staje si ę

katod ą, a katoda anod ąogniwa.

Wodór utlenia si ę, a tlen redukuje:

Grafitowa obudowaKontrol temp. i ciśnienia

Schemat typowego ogniwa paliwowego

H2wlot

H2wylot

H2 O/O2wylot

O2wlot

Porowata warstwa transportowa

e-

H+

H+

H+

H+

KatodaMembrana

Anoda

H2O

H2O

HH

HH

OO

O

O

H+

e-

H+

H+

H+

e-

e-

e-

10µµµµm100 µµµµm2cm480 µµµµm

�W ogniwie paliwowym, zasilanym gazem ziemnym lub mat anolem, cały

proces zaczyna si ę od:

�wydzielania czystego wodoru w urz ądzeniu zwanym reformerem (1).

�powstaj ący CO2 (2) jest usuwany na zewn ątrz.

�wodór trafia do właściwego ogniwa (3 ), wywołuj ąc kolejne procesy

�platynowy katalizator na anodzie "wyrywa" z gazu elektrony (4)

�dodatnio naładowane jony (protony) reaguj ą z elektrolitem (5)

�oboj ętny elektrycznie tlen, doprowadzany do katody (6) przechwytuje swobodne elektrony

�powstaje prąd stały (8)

�Ujemnie naładowane jony tlenu reaguj ą w elektrolicie z protonami

� powstaje woda (7)

� wytworzony stały pr ąd elektryczny ulega zamianie na prąd zmienny (9)

Ogniwa tlenkowo-ceramiczne (SOFC – Solid Oxide Fuel Cell)

Ogniwa w ęglanowe(MCFC – Molton Carbonate Fuel Cell)

Ogniwa z kwasem fosforowym jako elektrolitem (PAFC – Phosphoric Acid Fuel Cell)

Ogniwa polimerowe (PEMFC – Polimer Electrolyte Membrane Fuell Cell)

Ogniwa alkaliczne (AFC – Alkaline Fuel Cell)

Rodzaje ogniw paliwowych

PodziaPodziaPodziaPodziałłłł ogniw paliwowychogniw paliwowychogniw paliwowychogniw paliwowych

Rodzaj ogniwa Elektrolit PaliwoTemperatura

pracy Sprawno ść Zastosowania

Ogniwa alkaliczne (AFC – Alkaline Fuel

Cell)

Roztwór KOH (35-50%) Czysty H 2 60-90oC 35-55%

Transport, astronautyka

Ogniwa polimerowe (PEMFC – Polimer

Electrolyte Membrane Fuell Cell)

Membrana polimerowa (np. Nafion)

Czysty H 2(dopuszczalna zawarto ść

CO2)

50-80oC 35-45%Transport,

astronautyka, energetyka

Ogniwa z kwasem fosforowym jako

elektrolitem (PAFC – Phosphoric

Acid Fuel Cell)

Kwas fosforowy o

duŜym stęŜeniu

Czysty H 2 (dopuszczalna zawarto śćCO2 i CO do

1%)

160-220oC 40%Energetyczne

źród ła rozproszone

Ogniwa w ęglanowe (MCFC – Molton

Carbonate Fuel Cell)

Stopiona mieszanina

węglanów litu i sodu, lub litu

i potasu

H2, CO, CH4, inne

węglowodory (dopuszczalna zawarto ść

CO2)

620-650oC >50% Energetyka

Ogniwa tlenkowo-ceramiczne (SOFC –

Solid Oxide Fuel Cell)

Dwutlenek cyrkonu

stabilizowany itrem

H2, CO, CH4, inne

węglowodory (dopuszczalna zawarto ść

CO2)

800-1000oC >50% Energetyka

Alkaliczne Ogniwo PaliwoweAlkaliczne Ogniwo PaliwoweAlkaliczne Ogniwo PaliwoweAlkaliczne Ogniwo Paliwowe ---- Alkaline Fuel CellAlkaline Fuel CellAlkaline Fuel CellAlkaline Fuel Cell (AFC)AFC)AFC)AFC)

�pierwsze nowoczesne ogniwo paliwowe

�szeroko stosowany w ameryka ńskim programie kosmicznym do dostarczania elektryczno ści na pokładach statków kosmicznych w programie Apollo.

�Elektrolit to st ęŜony (85% wag.) KOH

�Redukcja tlenu w środowisku zasadowym jest du Ŝo szybsza ni Ŝ w kwaśnym, np. w PEMFC�temperatura pracy 250- 400 0C

�Niedawno opracowane układy mog ąpracowa ć w temperaturze poni Ŝej 100oC.

�

Utlenienie wodoru na anodzie:H2 + 2OH-→ 2H2O + 2e-

Redukcja tlenu na katodzie:½O2 + H2O + 2e → 2OH-

Sumaryczna reakcja w AFC:H2 + ½O2 → H2O

� Wymagaj ą paliwa o du Ŝej czysto ści

� Są czułe na obecno ść CO2 w utleniaczu (powietrzu) dlatego, Ŝe powstaj ące z CO2 węglany niszcz ą porowat ą struktur ę elektrod i zakłócaj ą podstawow ą reakcj ę ogniwa.

� Ze wzgl ędu na dost ępność tlenu i wodoru (paliwo rakietowe) ogniwa tego typu wykorzystuje si ę w astronautyce do produkcji elektryczno ści oraz wody pitnej.

Alkaliczne Ogniwo Paliwowe Alkaliczne Ogniwo Paliwowe Alkaliczne Ogniwo Paliwowe Alkaliczne Ogniwo Paliwowe ---- Alkaline Fuel CellAlkaline Fuel CellAlkaline Fuel CellAlkaline Fuel Cell

(AFC)AFC)AFC)AFC)

a) pracuje na bazie 6 M KOH w temp. 20 – 80 0C;

b) paliwo: alkohole alifatyczne;

c) anoda: Pt lub Pd lub Ni;

d) katoda: C lub Ag lub Pt lub PtO lub Pt/C (nanokrystaliczny diament);

e) warto ści u Ŝytkowe : 20 – 100 mA cm -2 , U = 0,6 – 0,7 V

Alkaliczne Ogniwo Paliwowe - Alkaline Fuel Cell (AFC)

a) pracuje na bazie elektrolitu 6 – 12 M KOH

w temp. 20 – 60 0C;

b) paliwo: hydrazyna NH 2 – NH2;

c) anoda: stopy Ni-Co;

d) katoda: C, Ag;

e) warto ści u Ŝytkowe: 60 – 200 mA cm -2 ;

U = 0,8 – 0,9 V;

Równanie reakcji podstawowej:

N2H4 + 4 H+ ⇒⇒⇒⇒ 4 H2O + 4e

Alkaliczne Ogniwo Paliwowe - Alkaline Fuel Cell (AFC)

a) pracuje w stopionych wodorotlenkach alkalicznych;

b) paliwo: amoniak NH 3 w temp. 200 – 400 0C;

c) anoda: Pt lub stopy Ni-Co-P dotowane TiO 2 ;

d) katoda: NiO + Li;

e) warto ści u Ŝytkowe : 100 – 200 mA cm -2 ,

U = 0,7 –0,8 V;

Reakcja podstawowa:

2 NH3 + 6 OH- ⇒⇒⇒⇒ N2 + 6 H2O + 6e

Alkaliczne Ogniwo Paliwowe - Alkaline Fuel Cell (AFC)

a) pracuje w środowisku elektrolitu 6 – 12 M KOH

w temp. 20 – 60 0C;

b) paliwo: substancje specjalne dotowane metalami

alkalicznymi;

c) anoda: stal lub stopy Ni – Co - P;

d) katoda: C, Pt/C (diament nanokrystaliczny) lub A g:

e) warto ści u Ŝytkowe : 100 – 300 mA cm -2,

U = 1,0 – 1,2 V;

Alkaliczne Ogniwo Paliwowe - Alkaline Fuel Cell (AFC)

Instalacja 250 kW ogniwa na gaz ziemny w Oberhausen w Niemczech w 2002 roku.

Radykalnym rozwi ązaniem okaza ło si ę zastosowanie NAFIONU® -jonowymiennej membrany selektywnie przepuszczaj ącej protony, która umieszczona jest pomi ędzy dwoma elektrodami ze stopów platyny.

CF2 CF2 XCF

O

CF2

CF

O CF2CF2SO3H

CF2 X

CF3

( ) ( ) Nafion

kopolimer tetrafluoroetylenu

(Teflon ) i kwasu nadfluoro-3,6-dioksa-4-

metyl-7-oktanosulfonowego

Znaczenie Nafionu

1. Nafion nale Ŝy do klasy sta łych „katalizatorów superkwasów”

2. Posiada hydrofobowe (-CF 2-CF2-) i hydrofilowe (-SO 3H) obszary.

3. Jego zwi ększona kwasowo śćprzypisywana jest silnemu wp ływowi efektu elektronoakceptorowego fluorow ęglowego ła ńcucha na grupy sulfonowe.

4. Nafion mo Ŝe mieć katalityczny wp ływ na szereg reakcji, np. alkilowanie, dysproporcjonowanie i estryfikacja.

SO3 SO3 SO3

H+

H+

H+

-- -

m H2O m H2O m H2O

H2O-H+

(H3O+)

H2O-H+

(H3O+)

Dlaczego wybrano Nafion?

1. Jest trwa ły

2. Jest odporny na dzia łanie kwasów i zasad

3. Jest odporny na dzia łanie temperatur do 230 C

4. MoŜna łatwo unieruchamia ć w nim zrówno jony metali jak i ich kompleksy

5. MoŜna łatwo mechanicznie usuwa ć warstwy nafionu z powierzchni fazy przewodz ącej

Anchorage (Alaska)

Stacja Stacja Stacja Stacja Ogniw paliwowOgniw paliwowOgniw paliwowOgniw paliwowych ych ych ych ---- Molten carbonate fuel cellMolten carbonate fuel cellMolten carbonate fuel cellMolten carbonate fuel cell (MCFC)(MCFC)(MCFC)(MCFC)

ZastosowaniaZastosowaniaZastosowaniaZastosowania

� systemy stacjonarne –

� generatory energii elektrycznej � generatory ciepła CHP, � elektrownie małej mocy

WYBÓR PALIWA

�chocia Ŝ spodziewa si ę ze gaz ziemny zachowa swoja dominuj ącą pozycje, pojawia si ę jednak rosn ąca liczba nowych rozwi ązań.

�biogaz z odpadków spo Ŝywczych oraz gaz uzyskany z przetwórstwa ścieków znalazły zastosowanie w wielu ogniwach.

�rozwijane s ą takŜe technologie pozyskuj ące gaz do zasilania ogniw uzyskany np. z drewna

� metan z kopalni, który w wi ększo ści przypadków jest uwalniany do atmosfery

�węgiel moŜe być tez wykorzystany do produkcji paliwa w procesie zgazowania w ęgla, w którym to przetwarza si ę go w łatwopalne gazy, m.in. tlenek w ęgla, wodór i metan.

�wykorzystania wodoru tam gdzie gaz jest produktem ubocznym w procesach produkcyjnych w zakładach chemicznych

WYBÓR PALIWA

ZASTOSOWANIA W TRANSPORCIE :

� Jedno z pierwszych zastosowa ń ogniw paliwowych, z powodu ich zalet, miało miejsce podczas ameryka ńskiego programu kosmicznego.

� Trzy modułu alkalicznych ogniw paliwowych dostarcza ły po 12 kW energii elektrycznej podczas misji Apollo w latach sześćdziesi ątych XX w.

� W roku 1970 profesor Karl Kordesch z uniwersytetu w Graz w Austrii zbudował pierwszy samochód zasilany ogniwami paliwow ymi.

� Był to samochód hybrydowy z alkalicznym ogniwem pali wowym o mocy 6 kW, ołowiowym akumulatorem i silnikiem elekt rycznym o mocy 20 kW.

� Od tamtego czasu pole zastosowa ń przeno śnych powi ększyło si ę.

� Przemysł samochodowy jest bez w ątpienia najaktywniejszym inwestorem w obszarze ogniw paliwowych i pompuje mi liardy dolarów kaŜdego roku w badania i rozwój

Hybrydowy samochód z ogniwem paliwowym firmy Kordesch, 1970.

Samochód GM Opel Zaphira zogniwem paliwowym

ZASTOSOWANIA W TRANSPORCIE :

�Krótki czas reakcji oraz krótki czas rozruchu to je dne z najwa Ŝniejszych wymogów wobec samochodów.

�Wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe jak MCFC i SOFC nie nadaj ą siędobrze do tego, bo s ą bardziej skomplikowane i maj ą dłu Ŝsze czasy rozruchu niŜ PEMFC i DMFC.

�PowaŜnym problemem jest działanie w temperaturach ujemny ch.

�Poniewa Ŝ membrana zawiera du Ŝe ilo ści wody, nale Ŝy zabezpieczy ć ją przed zamarzni ęciem

ZASTOSOWANIA W TRANSPORCIE :

ZASTOSOWANIE W PRZENOŚNYCH UKŁADACH

�Rynek urz ądzeń przeno śnych wzrasta bardzo szybko w kilku ostatnich dziesi ęcioleciach.

�Laptopy, telefony przeno śne, ręczne kamery

�Do tych zastosowa ń wymy ślono nowe ogniwo

� Miniature Direct Methanol Fuel Cell (DMFC), -miniaturowe ogniwo paliwowe z bezpo średnim zasilaniem metanolem

�Metanolem, poniewa Ŝ kłopotliwy w przechowywaniu wodór zastąpiono wła śnie alkoholem metylowym

�Jedno kompletne ogniwo DMFC ma oferowa ćpojemno ść pięciokrotnie wi ększą od akumulatora LiION, przy takiej samej wadze i rozmiarach.

�Oznacza to, Ŝe typowy telefon komórkowy mógłby pracowa ć około miesi ąca.

�Poniewa Ŝ jest niemo Ŝliwe konwencjonalne ładowanie takiego ogniwa, planuje si ęzaopatrywanie go w metanol w postaci tanich zbiorniczków, bardzo podobnych do tych z atramentem do wiecznych piór.

�Ogniwo zostało opracowane we współpracy Motoroli i Los Alamos Laboratories.

Ładowarka DMFC do komórek, Mechanical Technologies.

ZASTOSOWANIE W PRZENOŚNYCH UKŁADACH

Zalety ogniw paliwowych

� Sprawno ść bezpośredniej konwersji energii chemicznej paliwa w energ ięelektryczn ą nie podlega ograniczeniu wynikaj ącemu z teorii silników cieplnych

� Wysoka sprawno ść produkcji energii elektrycznej� Niski poziom hałasu

� MoŜliwo ść stosowania ró Ŝnych rodzajów paliw

� Technologia bezpieczna dla środowiska naturalnego poniewa Ŝpodstawowym produktem ubocznym jest woda, a emisja CO2 zachodzi tylko w przypadku wykorzystywania paliw w ęglowodorowych (CO 2 jest produktem ubocznym reformingu)

� Nie istnieje problem emisji tlenków siarki i azotu (wyst ępuj ą w śladowych ilo ściach)

� Brak ruchomych cz ęści pracuj ących w trudnych warunkach

� MoŜliwo ść pracy przy szerokim zakresie obci ąŜeń

� MoŜliwo ść ciągłej pracy (o ile jest dost ęp do paliwa i utleniacza)

Wady ogniw paliwowych

� Niskie napi ęcie pr ądu uzyskiwane z pojedynczego ogniwa (<1V)

� Drogie materiały na katalizatory

� Stosunkowo niewielkie moce uzyskiwane z modułu

� Produkcja jedynie pr ądu stałego (czasami jest to zalet ą)

� Podatno ść na wpływ zanieczyszcze ń zawartych w paliwie (zanieczyszczenia zmniejszaj ą Ŝywotno ść ogniw zatykaj ąc porowate elektrody przez co zmniejszaj ą ich wydajno ść prądow ą)

� Trudno ści z produkcj ą, magazynowaniem i dystrybucj ą paliwa (wodoru)

Bibliografia

1. Wykłady z podstaw elektrochemii Prof. dr hab Henryk Scholl

2. „Fuel cell technology handbook” edited by Gregor Hoo gers

3. „Technologie energetyczne” Tadeusz J. Chmielniak

4. „Fuel cell glossary” US Fuel Cell Council

5. Fuel Specification for fuel cells EU workshop on Re gulations, codes and standards for H2/FC technologies; February 25, 2005; Paul van den Oosterkamp, Frank de Bruijn; ECN – Fuell Cell Te chnology

6. „Energetyka wodorowa nowym źródłem odnawialnym?”; Marek Butkowski Polskie Sieci Elektroenergetyczne WSCHÓD Sp. z o.o.

Dziękujęza uwagę