docSlajd 1
download 
Reklamacja Transkrypt
Slajd 1
2013-06-12 Elektrolity Stałe Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektrolity Stałe Model Urządzenia Elektrochemicznego – Założenia Materiał jest izolatorem elektronowym a ładunek jest przenoszony przez jeden rodzaj jonów; 1. Prąd jonowy wewnątrz materiału jest równy prądowi elektronowemu płynącemu w zewnętrznym. 2. Siłą napędową przepływu prądu są reakcje chemiczne zachodzące na elektrodach: redukcji na elektrodzie ujemnej i utleniania na dodatniej. Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektrolity Stałe Model Urządzenia Elektrochemicznego – Schemat Podstawowy Ared Aox + ne- + In+ Cox + ne- + In+ Cred W zależności od sposobu przeprowadzenia reakcji napięcie U jest przykładane do elektrod lub z nich zdejmowane. Prąd płynący przez urządzenie może być bliski zeru. Zastosowanie Przewodników Jonowych 1 2013-06-12 Elektrolity Stałe Model Urządzenia Elektrochemicznego – Proces Samorzutny W przypadku pomiaru na obwodzie otwartym wartość mierzonego napięcia VOC zależna jest od różnic w energiach swobodnych reagentów na obu elektrodach: -n F VOC G 0 - ponieważ: 0 R T ln(a) potencjał w obwodzie otwartym jest równy: VOC R T a ln 4F a0 Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektrolity Stałe Model Urządzenia Elektrochemicznego – Proces Samorzutny Energia reakcji elektrodowych zamieniana jest na energię elektryczną poprzez wytworzenie różnicy potencjałów na elektrodach: V VOC V VOC - h gdzie: h jest spadkiem związanym z polaryzacją. h napięcia I – Spadek napięcia spowodowany aktywacją procesu transportu na granicy elektroda-elektrolit; II – Zakres pracy – spadek napięcia na oporze elektrolitu (prawo Ohma); III – Zakres dyfuzji reagentów od i do elektrody (elektroliza); I II III I Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektrolity Stałe Model Urządzenia Elektrochemicznego – Proces Wymuszony Po przyłożeniu napięcia V pomiędzy elektrodami wymuszony zostaje ruch jonów przez objętość elektrolitu stałego. Gęstość prądu jonowego wynosi: j= I V A = 4F 4FL gdzie, opór elektrolitu: R= L A jest zależny od jego grubości (L) i powierzchni (A). Aby opór był niewielki konieczna jest minimalizacja stosunku L/A przy zachowaniu koniecznych parametrów mechanicznych. Napięcia stosowane w rzeczywistości są większe niż napięcia pojawiające się w elektrolicie. Przyczyną jest dodatkowa rezystancja na granicach faz: elektrolit – elektroda. Zastosowanie Przewodników Jonowych 2 2013-06-12 Elektrolity Stałe Lampa Nernsta Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektrolity Stałe Lampa Nernsta Żarnik Nernsta Liniowe źródło promieniowania w zakresie bliskiej podczerwieni używane powszechnie w spektroskopii. Spiek dwutlenku cyrkonu stabilizowany itrem i erbem, zazwyczaj w formie cylindrycznego pręcika lub rurki. Wstępnie podgrzewany zewnętrznym źródłem osiągał temperaturę pracy ok. 2000°C. Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektrolity Stałe Przechowywanie Energii Elektrycznej ogniwo ZnBr metal - powietrze wanadowo-redoksowa kondensator elektrochemiczny bateria litowo-jonowa CAES Zastosowanie Przewodników Jonowych 3 2013-06-12 Elektrolity Stałe Ogniwo Akumulacyjne Sód – Siarka Ogniwo sodowo-siarkowe składa się z półogniwa złożonego z ciekłego sodu (elektroda ujemna) i półogniwa złożonego z ciekłej siarki (elektroda dodatnia) rozdzielonych elektrolitem stałym będącym przewodnikiem jonów sodu – beta-aluminą. Elektrolit stały umożliwia transport jonów sodu do półogniwa siarkowego, gdzie zachodzi reakcja z utworzeniem wielosiarczków sodu, głównie: 2Na + 4S = Na2S4 Transport jonów sodu poprzez elektrolit stały związany jest z przepływem elektronów w obwodzie zewnętrznym dając różnicę potencjałów równą 2 V. Reakcja jest odwracalna dając 98 % efektywność ogniwa. Temperatura pracy ogniwa to 300°C. Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektrolity Stałe Ogniwo Akumulacyjne Sód – Siarka katoda: Na Na+ + e- anoda: 2 Na+ + x S + 2 e- Na2Sx sumarycznie: 2 Na + x S Na2Sx; ładowanie rozładowanie stan naładowany x = 5, stan rozładowany x = 3 (2-4); Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektrolity Stałe Ogniwo Akumulacyjne Sód – Siarka Na – S Parametry Pb Gęstość Energii Whdm-3 200 70 Energia Właściwa Whkg-3 265 25 – 35 Gęstość mocy Wdm-3 200 – 400 ~400 8–2 Czas ładowania h 5 – 10 ilość cykli 1000 500 Temperatura pracy ºC 300 20 – 60 SEM V 2,08 – 1,8 2,02 (1,8) Trwałość ! Zastosowanie Przewodników Jonowych 4 2013-06-12 Elektrolity Stałe Ogniwo Akumulacyjne Sód – Siarka Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektrolity Stałe Ogniwo Akumulacyjne Sód – Siarka Instalacje akumulacyjne na bazie ogniw sód-siarka powstały w ponad 190 miejscach w Japonii dając 270 MW przez 6h w okresie szczytowego zapotrzebowania. Największa instalacja ma moc 34 MW współpracując z elektrownią wiatrową o energii 245 MWh. Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektrolity Stałe Miernik Ciśnienia Tlenu SEM Miernik zawartości tlenu w płynnych metalach; Czujnik do analizy gazów spalinowych (sonda l); I R T p O2 SEM ln II 4 F pO2 O2- VO 1 O2 VO 2 e' OO 2 OO 1 O2 VO 2 e' 2 pOI 2 pOII 2 Zastosowanie Przewodników Jonowych 5 2013-06-12 Elektrolity Stałe Miernik Ciśnienia Tlenu Różnica ciśnienia parcjalnego tlenu pomiędzy powietrzem (referencja) a gazami spalinowymi powoduje powstanie różnicy potencjałów zgodnie z zależnością Nernsta. Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektrolity Stałe Miernik Ciśnienia Tlenu – Sygnał Napięciowy Resztkowy tlen oraz nie spalone węglowodory i tlenek węgla reagują w obecności katalizatora (SnO2, NiO, CuO), którym pokryta jest elektroda pomiarowa. Duża aktywność katalizatora powoduje, że ciśnienie gazu zmienia się skokowo w punkcie stechiometrycznym. Siła elektromotoryczna jest funkcją różnicy ciśnień cząstkowych CO i O2. Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektrolity Stałe Miernik Ciśnienia Tlenu – Sygnał Prądowy Elektroda referencyjna ogniwa Nernsta omywana jest powietrzem atmosferycznym. Składniki gazów spalinowych dyfundują przez barierę dyfuzyjną do przestrzeni elektrodowej. Przyłożenie napięcia do elektrolitu powoduje wymuszenie przepływu jonów tlenu od katody do anody. Prąd płynący przez elektrolit jest proporcjonalny do różnicy koncentracji tlenu po jej obu stronach. Zadaniem elektronicznego układu sterującego jest takie sterowanie prądem, aby skład spalin w przestrzeni dyfuzyjnej odpowiadał stechiometrycznej mieszaninie paliwowo-powietrznej. Zastosowanie Przewodników Jonowych 6 2013-06-12 Elektrolity Stałe Miernik Ciśnienia Tlenu – Porównanie Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektrolity Stałe Pompa Gazowa Vzew O2- VO 1 O2 VO 2 e' OO 2 OO 1 O2 VO 2 e' 2 Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektrolity Stałe Pompa Gazowa SEOS Transport gazu (tlen, wodór) poprzez warstwę przewodnika jonowego wymuszony jest: a. różnicą potencjałów – Solid Electrolyte Oxygen Separation (SEOS); b. różnicą ciśnień – Ion Transport Membrane (ITM). - czystość tlenu powyżej 99,99 %; - zasilanie niefiltrowanym powietrzem (wentylator); - brak hałasu, wysoka wydajność, niezawodność; - praca ciągła przez minimum 24 000 godzin (33 miesiące); - medycyna, Mars; Zastosowanie Przewodników Jonowych 7 2013-06-12 Elektrolity Stałe ITM Pompa Gazowa Transport gazu (tlen, wodór) poprzez warstwę przewodnika jonowego wymuszony jest: a. różnicą potencjałów – Solid Electrolyte Oxygen Separation (SEOS); b. różnicą ciśnień – Ion Transport Membrane (ITM). - zasilanie sprężonym gazem (do 10 atm.); - czystość (tlen) powyżej 99,5 %; - instalacje o dużej wydajności (do 500kg/24h); Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektrolity Stałe ITM Pompa Gazowa Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektrolity Stałe Sensory - Typ I Czynnik mierzony odpowiada ruchliwemu jonowi; Reakcje elektrodowe: A. ½ O2 + 2 e- O2B. 2/3 Cr + O2- 1/3 Cr2O3 + 2 e- Wielkość mierzona: E oc -G 0Cr2O3 6e R T ln pO2 4F Zastosowanie Przewodników Jonowych 8 2013-06-12 Elektrolity Stałe Sensory - Typ II Czynnik mierzony jest nieruchliwym składnikiem przewodnika Reakcje elektrodowe: A. SO3 + 2 Ag+ + ½ O2 + 2 e- Ag2SO4 B. Ag Ag+ + e- Wielkość mierzona: E oc -G 0Ag2SO4 2e R T ln pSO3 pO2 2F Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektrolity Stałe Sensory - Typ III Czynnik mierzony oraz jon ruchliwy są elementami warstwy sensorowej Reakcje elektrodowe: A. Ag+ + ½ Cl2 + e- AgCl B. Ag Ag+ + e- Wielkość mierzona: E oc = -G 0AgCl e R T ln pCl2 2F Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektrolity Stałe Elementy Elektrochromowe Elementy (okna) elektrochromowe – zmieniają przeźroczystość lub, rzadziej, barwę pod wpływem przyłożonego napięcia. Zbudowane są z szeregu cienkich warstw materiałów o zróżnicowanych właściwościach i przeznaczeniu. Przeźroczyste Szkło – Osłona Warstwa Przewodząca – Elektroda Warstwa Elektrochromowa Elektrolit Stały V Źródło Jonów Warstwa Przewodząca – Elektroda Przeźroczyste Szkło - Osłona Materiał w warstwie elektrochromowej zmienia swoje zabarwienie w zależności od stanu redoks. W przypadku np. WO3, pierwszy materiał z zaobserwowanym elektrochromizmem (1969), reakcja ma postać: WO3 + x Li ↔ LixWO3 (LixWVI(1-x)WVO3) przeźroczysty niebieski Zastosowanie Przewodników Jonowych 9 2013-06-12 Elektrolity Stałe Elementy Elektrochromowe Zmiana przeźroczystości, lub zabarwienia, zależna jest od przyłożonego napięcia. Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektrolity Stałe Elementy Elektrochromowe WO3, MoO3 V2O5, Nb2O5 błękit pruski związki organiczne Przeźroczyste Szkło – Osłona Warstwa Przewodząca – Elektroda Warstwa Elektrochromowa LiAlF4 InSnO Elektrolit Stały Źródło Jonów Li1,2V2O5 Warstwa Przewodząca – Elektroda Przeźroczyste Szkło - Osłona Zastosowanie Przewodników Jonowych Elektrolity Stałe Zastosowanie Przewodników Jonowych 10 2013-06-12 Elektrolity Stałe Zastosowanie Przewodników Jonowych 11
