Ogniwa paliwowe i superkondensatory

Ogniwa paliwowe
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Wykorzystanie wodoru jako nośnika energii
Ogniwa paliwowe
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Zasada działania ogniwa zasilanego wodorem
Rodzaje ogniw
FIZYKA 3
•
•
•
•
•
•
•
•
•
MICHAŁ MARZANTOWICZ
ogniwo z membraną przewodzącą protonowo
(ang. Proton-exchange membrane fuel cell PEMFC),
odwracalne ogniwo paliwowe (ang.
Reversible Fuel Cell),
bezpośrednie ogniwo metanolowe (ang.
Direct-methanol fuel cell),
ogniwo paliwowe z zestalonym elektrolitem
tlenkowym (ang. Solid-oxide fuel cells),
ogniwo paliwowe ze stopionymi węglanami
(ang. Molten-carbonate fuel cells),
ogniwo paliwowe oparte na kwasie
fosforowym (ang. Phosphoric-acid fuel
cells),
alkaliczne ogniwo paliwowe (ang. Alkaline
fuel cells).
średniotemperaturowe ogniwo tlenkowe
intermediate temperature SOFC
rurowe tlenkowe ogniwo paliwowe (tubular
SOFC)
Przygotowanie paliwa - reforming
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Rodzaje paliw i reakcja na składniki paliwa
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Sprawność ogniw paliwowych
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Potencjał ogniwa otwartego
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Siła elektromotoryczna ogniw
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Siła elektromotoryczna ogniw
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Siła elektromotoryczna ogniw
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Temperatura pracy ogniwa ma zapewniać zarówno odpowiednią
przewodność jonową, jak i stabilność elektrochemiczną.
Zastosowania
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
21 sierpnia 1965 r. Gemini 5 jest
pierwszym statkiem kosmicznym
wykorzystującym ogniwo paliwowe
z membraną polimerową zamiast
baterii.
1966: General Motors Electrovan:
pierwszy pojazd drogowy napędzany
ogniwami.
Marzec 2001. Toyota
przedstawia prototyp FCHV3 – Toyotę Highlander
czerpiącą energię wyłącznie
z ogniwa wodorowego.
Zastosowania
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Honda FCX Clarity:
moc 100 kW,
zasięg 372 km,
Vmax 160 km/h
Toyota Mirai:
moc 113 kW,
zasięg 480 km,
Vmax 180 km/h
Zastosowania
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Łódź podwodna typu 214 –
ogniwa paliwowe zapewniają
„cichy napęd”.
Napęd hybrydowy (diesel).
Hydrogen Challenger, 1967 –
produkuje wodór i wykorzystuje go
do napędu.
Zastosowania
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
King County, Waszyngton, USA, rok 2006. Otwarcie elektrowni o mocy 1MW,
opartej na ogniwach paliwowych. Elektrownia wykorzystuje biogaz (metan) z
oczyszczalni ścieków.
Superkondensatory
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
1. Budowa, zasada działania, modele fizyczne
2. Materiały stosowane w superkondensatorach
3. Zastosowania
Kondensatory
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Pojemność elektryczna
D
Q
C=
U
U = ∫ E ( x)dx
0
Kondensator płaski
Sεε 0
C=
D
Rozdzielając ładunki wykonujemy pracę –
gromadzimy energię elektryczną.
WEL
q
Q 2 CU 2 QU
= ∫ Vdq = ∫ dq =
=
=
2C
2
2
C
Kondensatory elektrolityczne
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
☺ pojemności elektryczne do 1F
☺ niewielkie rozmiary
upływność ładunku
☺ niska cena
degradacja elektrolitu
degradacja elektrod
wrażliwe na zmianę polaryzacji
wrażliwe na zmiany temperatury
Superkondensatory
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Rodzaje superkondensatorów
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Zasada działania
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Ładowanie superkondensatora
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Warstwa podwójna
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
1 warstwa (adsorpcyjna) : adsorpcja na powierzchni
2 warstwa (dyfuzyjna) : siły kulombowskie
Modele warstwy podwójnej
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Helmholtz
Guoy-Chapman
Stern
Kondensatory typu DLC
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Grubość warstwy podwójnej zależy od rodzaju
rozpuszczalnika, jonów i ich stężenia – do 10 nm
R.A. Marcus – Nobel 1992
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Model opisuje szybkość
procesu przeskoku
elektronów pomiędzy
cząsteczkami.
Reakcje typu redox bez
wytwarzania wiązań
chemicznych.
Gromadzenie ładunku na skutek takich procesów redox określa
się jako pseudopojemność, a proces jako adsorpcję fizyczną.
Materiały: elektrody
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Wymagania:
- Duża powierzchnia
- Wysoka przewodność
- Stabilność chemiczna i termiczna
- Odpowiednie właściwości mechaniczne
- Niski koszt wytwarzania
Nanomateriały
Materiały: elektrody
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Małe rozmiary porów wpływają na właściwości „otoczki”
(solvation shell) jonu i pozwalają zbliżyć się do elektrod.
Elektrody węglowe – kondensatory DLC
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Pseudopojemność: tlenki metali
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Struktury o dużej powierzchni (również kontaktu z elektrolitem),
umożliwiające jednocześnie dyfuzję w elektrolicie.
Na elektrodach zachodzą reakcje redox z fizyczną adsorpcją.
RuO2
TiO2
VO2
MoO2 ,
NiO2
CoO2
MnO2
SnO2
LiO2
Tlenek kobaltu (Co3O4)
www.nanowerk.com
Elektrody: polimery
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Materiały: Elektrolity
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
- Wysoka przewodność
-Stabilność elektrochemiczna (szeroki zakres tzw.
okna stabilności)
- Zwilża powierzchnię elektrod
- Bezpieczeństwo użytkowania
Ciekłe:
☺ wyższe przewodności
☺ niższe koszty
parowanie i zamarzanie
możliwość wycieku
napięcia do 1V
Stałe:
10 x niższe przewodności
gorzej penetrują elektrody
☺ stabilne mechanicznie
☺ stabilne elektrochemicznie
☺ bezpieczne
Materiały: separator
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
- Zapobiega występowaniu zwarć
- Umożliwia wymianę jonów
Separatory polimerowe/celulozowe w elektrolitach organicznych
Separatory ceramiczne w elektrolitach ciekłych
Materiały: elektrody doprowadzające
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Zastosowanie superkondensatorów w urządzeniach o dużej
mocy wymaga odpowiedniego rozprowadzenia prądu.
- elektrody aluminiowe
- elektrody węglowe (grafen, nanorurki)
- elektrody platynowe lub złote
Model elektryczny
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Model elektryczny
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Jony wędrują w porowatej strukturze. Dotarcie do wewnętrznych części
porów materiału elektrodowego wymaga długiego czasu ładowania.
Model elektryczny
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Dystrybucja
stałych czasowych
elementów modelu
- pojemność silnie
zależy od
częstotliwości.
Pomiar pojemności (norma IEC)
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
•Klasa 1: Podtrzymywanie pamięci
•Klasa 2: Gromadzenie energii
•Klasa 3: Urządzenia dużej mocy
•Klasa 4, Impuls mocy
I (mA) = 1 • C (F)
I (mA) = 0,4 • C (F) • V (V)
I (mA) = 4 • C (F) • V (V)
I (mA) = 40 • C (F) • V (V)
Napięcie pracy
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Elektrolity wodne: 1.2V / elektrodę = 2.4V
Rozpuszczalniki organiczne: 1.8 V/ elektrodę = 3.6V
Przewodniki jonów litu: do 4V (napięcie minimalne 2.2V)
Energy and Power Engineering, 2010, 25-30
Opór wewnętrzny
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Opór wewnętrzny określa nie tylko maksymalny prąd rozładowania,
ale również czas ładowania kondensatora.
Przyjmuje się że pełne naładowanie następuje po 5 stałych czasowych.
Samorozładowanie
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Procesy redox
(zanieczyszczenia):
zależność wykładnicza
Dyfuzja jonów:
Zależność od t1/2
Właściwości superkondensatorów
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Zastosowania kondensatorów
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Podtrzymywanie pamięci
Urządzenia elektroniczne i narzędzia elektryczne
Gromadzenie energii odnawialnej
Sieci energetyczne
Układy podtrzymywania napięcia UPS
Transport kolejowy, drogowy, transport publiczny
Układy rozruchu w pojazdach
Samochody hybrydowe i elektryczne
KERS
Żurawie i podnośniki widłowe
Medycyna (defibrylatory)
Zastosowania: energia odnawialna
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Zastosowania: Rozruch silnika
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Superkondensator pozwala na
rozruch przy częściowo
rozładowanym akumulatorze.
Silniki Diesla, ciężarówki itp.
Układy start/stop
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Odzyskiwanie energii z hamowania
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Odzyskiwanie energii i ładowanie
FIZYKA 3
MICHAŁ MARZANTOWICZ
Tramwaje elektryczne:
Oszczędność 30% energii
Odcinki linii bez przewodów zasilających
Autobusy:
Oszczędność paliwa 15% - hybrydowe
Ładowanie na przystankach - elektryczne
Samochody hybrydowe:
-cykl miejski: oszczędność do 20% (w
stosunku do wyłącznie Li-ion)
-cykl mieszany: oszczędność 6%