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):

𝑄𝑥1𝑛+ + 𝑛𝑒 ↑→ 𝑅𝑒𝑑1

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

𝑅𝑒𝑑2 − 𝑛𝑒 → 𝑄𝑥2𝑛+

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

𝑾𝒆𝟎

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

< -263oC ciało stałe, ρ = 70,6 kg/m3

> -253oC gaz; przy 0oC 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, 83rd 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 <

250OC), rozcieńczony

35-40% (temp pracy

<120OC)

Zastosowanie

różnych

metali

Wodór H2, hydrazyna N2H4, metan CH4

Paliwo i utleniacz muszą być

pozbawione CO2

Temp. pracy: 100 – 200OC

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: <120OC

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: 150-200OC

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: 600-700OC

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: 900-1000OC

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

LQU

Entalpia swobodna

VpUH

Przyrost entalpii

VpLQVpUHHH subsprod

Przyrost entalpii molowej układu H jest równy różnicy przyrostów entalpii molowej

produktów reakcji Hprod oraz substratów Hsubs

Termodynamik ogniw paliwowych

Procesy w ogniwie paliwowym zachodzą w warunkach izotermiczno-izobarycznych

Potencjał termodynamiczny – jako funkcja stanu

STHG

Ilość energii uwalnianej podczas reakcji zachodzących w ogniwie paliwowym

subsprod GGSTHSTHG

Termodynamik ogniw paliwowych

subsprod GGSTHSTHG

W OP po stronie katody

222

122 OeHQOH

Entalpia molowa dla reakcji

222 2

1, OHsubsOHprod GGGGG

Termodynamika ogniwa paliwowego

subsprod GGSTHSTHG

VpLQVpUHHH subsprod

STVpLQSTHG

Praca ogniwa paliwowego

eksel LLL

Praca ogniwa paliwowego jest sumą pracy prądu elektrycznego i pracy ekspansji

Praca prądu elektrycznego pozyskiwanego przez ogniwo Lel, jest równa entalpii

swobodnej reakcji ΔG, tak więc można zapisać:

GVVeFnEFnL AKrel )(

Praca ekspansji ładunków elektrycznych wytwarzających różnicę potencjałów

elektrod ogniwa

VpLeks

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 Lel, jest równa entalpii

swobodnej reakcji ΔG,

gdzie:

n – liczba elektronów uczestniczących w procesie [-],

F – stała Faraday’a [F=96485 C/mol],

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

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

GEFnLL rel max,

Miarą efektywności ogniwa jest teoretyczna sprawność energetyczna (zwana również

sprawnością teoretyczną, termodynamiczną, termiczną), ηth. W warunkach

izotermiczno–izobarycznych maksymalna teoretyczna sprawność ogniwa wynosi:

H

ST

H

STH

H

Lel

theor

1

max,

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).

UFEterech

Sprawność termiczna i napięciowa

ogniwa

eter – maksymalna sprawność uzyskana z doskonałego ogniwa paliwowego

H

Gter

eE – związana ze zjawiskiem polaryzacji napięciowej obciążonego ogniwa

i optymalnych warunkach pracy (0,6 – 0.8)

r

EE

E

Er - 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, ηf

zFn

tI

I

I

t

F

I – rzeczywisty prąd czerpany z ogniwa [A],

It – 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, NOX, 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

eee enenvJe

Natężenie strumienia ciepła

ee JJe

qvnqQ

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

na > nb

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

V A

B

B

+

-

T2

Siła termoelektryczna

12 TTUAB

Zjawisko Peltiera

A

B

B

I

T1

T2

Jean Charles Peltier

Strumień ciepła Peltiera

IQ

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

TIγdt

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