Upload
uriah-hood
View
41
Download
3
Tags:
Embed Size (px)
DESCRIPTION
מכשור אלקטרוני: פרק 10 - בטריות ותאי דלק. עד לשקף 31. T H – T L. e =. T H. יעילות תהליכים לפי Carnot. היעילות המרבית , e , שניתן להפיק עבודה כאשר מנצלים מעבר של חום ממאגר בטמפרטורה גבוהה לנמוכה ניתן ע"י:. T [ 0 K]. (500 - 300)/500 = 0.4 (800 – 300)/800 = 0.625. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
מכשור אלקטרוני -שכ נר
Batteries and Fuel Cells (c) 1
- בטריות ותאי דלק10מכשור אלקטרוני: פרק
הפקת חשמל במכונות חום 1
בטריות 2
סוגים
מבנה ,סוגים,תכונות בטריות מתכלות
מבנה ,סוגים,תכונות בטריות נטענות
תאי דלק 3
מבנה
עקרון פעולה
תא דלק בטמפרטורה גבוהה עד לשקף
31
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 2
Carnotיעילות תהליכים לפי
=TH – TL
TH
, שניתן להפיק עבודה היעילות המרבית , כאשר מנצלים מעבר של חום ממאגר:בטמפרטורה גבוהה לנמוכה ניתן ע"י
(500 - 300)/500 = 0.4(800 – 300)/800 = 0.625
ככל שהפרש הטמפרטורות גדול יותר, מכונות החום יעילות יותר
T [0K]
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 3
הדלק כמקור אנרגיה
t
E
Ereactants
Eproducts
2H2 + O2
2H2O
Gcombustion
בזמן התהליך משתחררת אנרגיה
האנרגיה המשתחררת מנוצלת ע"י מכונות חום, בטריות ותאי דלק
עבור דלקים
aFuel + bO2 cH2O + dCO2
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 4
Fuel Formula n (G°c)m
[kJ/g]State at
STP
Hydrogen
H2 2 119 Gas
Methane CH4 8 51 Gas
Methanol
CH3OH 6 22 Liquid
Octane C8H18 50 48 Liquid
Glucose C6H12O6 24 16 Solid
Carbon (solid)
C 4 33 Solid
Free energy liberated when one gram of fuel is completely oxidized into water and CO2, in standard conditions
Mass Free Energy of Combustion(Oxidation)
Hydrogen
Octane
Glucose
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 5
הפקת חשמל ע"י מכונת חוםבעירה
על מנת לקבל Tגבוהה
יצירתקיטור
הנעתטורבינה הפקת
חשמל
התהליך מתרחש במתקן המפריד במעבר של: יונים •אלקטרונים•
תאי דלק ובטריות אינן מכונות חום. חוק "היעילות של קרנו" לא חל עליהם
בבטריות ותאי דלק
זרימת האלקטרוניםהיא היא האנרגיה החשמלית
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 6
?"מה זה "תא דלקמחולל חשמל אלקטרו-כימי מדלק
0C 800הפועלות מתחת ל-Carnot -יעיל יותר ממכונות 1
William R.Grove, 1839
– אנרגיה נקיה יותר ממנועי שריפה2
.תאי דלק אינם מכונות חום, אינם נשמעים לחוק קרנו
> 0.83נתן להשיג
NOXבתהליכי שריפה עם חמצן של האוויר נוצרים גם גזי
(500 - 300)/500 = 0.4(800 – 300)/800 = 0.625
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 7
מתא גלווני לבטריה
Cu/Cu+2אלקטרודת Fe/Fe+3אלקטרודת
Cu+2Fe+3
אלקטרודת Cu/Cu+2
Cu+2
אלקטרודת Fe/Fe+3
Fe+3
אלקטרודת Cu/Cu+2
אלקטרודת Fe/Fe+3
Cu+2
Fe+3
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 8
מבנה בסיסי של בטריה
Aאלקטרודה
אלקטרוליט
Bאלקטרודה
Electrode Electrode
Loade- e-
Electrolyteהחומר המוסר
אלקטרונים
החומר המקבל
אלקטרוניםA-m
C+n
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 9
Exhaust
מבטריה לתא דלק ,המבנה הקבוע יקרהחומרים המתכלים
זולים
Electrolyte
החומר המוסר
אלקטרונים
Electrode Electrode
Load
החומר המקבל
אלקטרונים
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 10
התגובה באלקטרודת הדלק במעגל פתוח
Fu ne- + Fu+n A
Catalyst
ElectrolyteFuel
Compartment
Fu
Fu+n
Fu+n
Fu+n
Fu+n
Fu+n
Fu+n
Fu+n
Fu+n
e-e-e-e-e-
e- e-e-
Positive
Charged
Layer
InterfaceNegative Charged
Layer
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 11
התגובה באלקטרודת החמצן במעגל פתוח
ElectrolyteCatalyst
Ambient Oxygen
O-2
O-2
O-2
O-2
O-2
O-2
O-2
++++++++
Positive Charge
d Layer
Negative Charged Layer
Interface
O2 + 4e- 2 O-2
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 12
תא דלק במעגל פתוח
exhaust
Fuel Compartment
FuelElectrode
OxygenElectrode
Ambient
Oxygen
Load
V
PorousConductiveFuel Catalyst
PorousConductive
Oxygen Catalyst
O-2
O-2
O-2
O-2
O-2
O-2
O-2
++++++
e-e-e-e-e-e-e-
Fu+n
Fu+n
Fu+n
Fu+n
Fu+n
Fu+n
בעזרת קטליזטורים מבאיםאת חומרי הגלם ה"זולים" למצב
של נכונות למסור אלקטרונם (כמו בבטריות)
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 13
תא דלק במעגל סגור
PorousConductiveFuel Catalyst
PorousConductive
Oxygen Catalyst
Fuel Compartment
FuelElectrode
OxygenElectrode
exhaust
Ambient Oxygen
O-2
O-2
O-2
O-2
O-2
O-2
O-2
++++++
e-e-e-e-e-e-e-
Fu+n
Fu+n
Fu+n
Fu+n
Fu+n
Fu+n
V
Loade-
Fu+n
O-2
ירידה במתח
e-
e-
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 14
אופן פעולה של תא דלק
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 15
שטח לעומת נפח - 1, התגובות הנפח במכונות חום האנרגיה מופקת בכל מתבצעות פזה אחת, הפזה הגזית.
הפקת האנרגיה מתבצע בשכבה דקה של FC ב- הממשק הבין-תווכי, בעלת עובי של מספר ננומטרים
:חומרים חדשים - 2 אלקטרו-קטליזטורים, אלקטרוליטים
הפסדים - 3
בעיות
חומרים פורוזיוויים
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 16
תחומי מחקר
Electrolyte
PorousConductive
Fuel Catalyst
Fuel
Electrode Electrode
PorousConductiveOxygen Catalyst Ambient
Oxygen
1 2 3 4
סכרידים אנזימטי•אי-אורגני•
חיבור חיבור
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 17
עקומת פולריזציה
E0 = 1.23
OCV = 0.83
V
mA/cm2
Activation
הפסדים
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 18
הפסד ראשוןיש שני מצבים הנבדלים
בהפרש אנרגיה. לפי חוק החלוקה של וולצמן:
יש צורך באנרגיה ע"מ להעביר את האלקטרונים לקטליזטור.רק לחלק ממולקולות הדלק ישנה האנרגיה הדרושה.
]Fu+n[ = [Fu]exp(-Ea/kT) Fu ne- + Fu+n
Fuel catalyst
1 - Activation
Excited level
Gound level
FuelMolecule
Energy levels
Valence Band
Metal Electrode
Energy Bands
EF
Excited level
Gound level
FuelMolecule
Energy levels
Conduction Band
Valence Band
Semiconductor Electrode
Energy Bands
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 19
O2 + 4e- 2O-
2
Oxygen catalyst
קיים מצב דומהבאלקטרודת החמצן
הפסד האקטיבציה מופיע גם כאשר המעגל פתוח
.בבטריה האלקטרונים כבר ברמות הנכונותהושקעה אנרגיה להכנתם
]e-cat[ = [e-
cat[0 exp(-Ea/kT)
האלקטרונים ב-"קטליזטור של החמצן" חייבים להימצא ברמה גובהה מהרמה הריקה באטום החמצן
Activationהפסד ראשון :
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 20
גורם הפסד נוסף
אלקטרונים מאלקטרודת הדלק עלולים לנוע דרך האלקטרוליט ולא דרך העומס
2 - Crossover Losses
מולקולת דלק עלולה לנוע דרך האלקטרוליטולהגיב ישירות עם יון החמצן ללא מסירת
אלקטרונים לאלקטרודת הדלק
מולקולות חמצן עלולה לנוע דרך האלקטרוליט ולהגיב ישירות עם יון הדלק, מבלי לקבל אלקטרונים
מאלקטרודת החמצן
מופיע גם כאשר המעגל פתוח
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 21
Ohmic Losses - 3גורם שלישי להפסד
יש התנגדות לתנועת אלקטרונים דרך הקטליזטור ודרך האלקטרודה
יש התנגדות לתנועת היונים דרך האלקטרוליט
V
Fuel Catalyst
Oxygen Catalyst
FuelElectrode
OxygenElectrode
O-2
O-2
O-2
O-2
O-2
O-2
O-2
++++++
e-e-e-e-e-e-e-
Fu+n
Fu+n
Fu+n
Fu+n
Fu+n
Fu+n
Loade-
Fu+n
O-2
e-e-
VIR = I Rint
Rint = Relectrolyte + Relectrode
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 22
Concentration Losses (Nerst)גורם רביעי
יצירת מפל ריכוזים ליד האלקטרודות
[products]
[reactants]
E = E0 -kTne ln
צורך בסילוק תוצרים מאזור הממשק
[c]
Distance from electrode [mm]
[Reactants]OCV
[Reactants]t = x
[products]OCV
[Products]t = x
בטריות קמותלתחייה
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 23
V(i) and Power Density
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 24
סוגי תאי דלק
Electrolyte
AlkalineAFC
Proton Exchange Membrane - PEMPEMFC
Room Temperature
WaterBio Fuel Cell
Enzymatic Microbiological
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 25
- הראשון מבצעי AFCתא דלק אלקליני
נושא המטען:
-OH יון
V e-e-e-
LOAD
OH-
OH-
OH-
OH-
H H+ + e-
O + 2e- O-2
2H2 + 4OH- 4H2O + 4e-
דלק: מימן חמצן
e-
e-
e-
O2 + 4 e- +2H2O 4OH-
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 26
Proton Exchange Membrane
Perchlorosulphonic acid PTFE copolymerNafion
CF2–CF2–CF2–CF2–CF–CF2–CF2–CF2–CF–CF3
O
CF2
CF2
O=S=O
O-H+
O
CF2
CF2
O=S=O
O-
H3O+ +
H2O
H2O + HH2O
+
תהליך דומהלהולכה במים
. דוגמה להולכה במוצק.מבודד" לגבי אלקטרונים"
מוליך פרוטונים
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 27
High Temperature Fuel Cell
מדוע צריכים?
- במכונות קרנו (מנועי שריפה) התגובות מתרחשות בכל 1 של המערכת. בתאי דלק התגובות מתרחשות הנפח
של האלקטרודות. יש צורך להשקיע אנרגיההשטח על פני להבאת המגיבים לשטח האלקטרודות
ההספק גבוה יותר על חשבון היעילות
- מסירת אלקטרונים מתבצעת ע"י החלק של 2המולקולות עם אלקטרונים ברמות הגבוהות
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 28
סוגי תאי דלק
Electrolyte
High Temperature
Phosphoric AcidPAFC 200 0C
Molten Carbonate 800 0CMCFC
Solid Oxide 800 0CSOFC
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 29
תאי דלק בטמפרטורה גבוהה
200 400 600 800 1000 0C
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
חימום תא דלק פוגע ביעילות אבל מגדיל את ההספק
שילוב תא דלק עם טורבינת גז או מערכות חימום
Unheated FC
Heated FC
GT
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 30
הדלק
Saccharide Fuel Cell אורט בראודה
AFCEnzymatic
לא דליק
לא רעיל
לא נפיץ
לא מתנדף
קל לאחסן
קל להוביל
מחוסר ריח
נפוץ
קל להפיק
Cellulose: 50% of the weight of the Flora
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 31
השוואה בין גלוקוזה לאוקטןFuel (G°c)m
[kJ/g](H°c)V
[kJ/cm3]
Octane 48 33.533.5
Glucose 16 24.57
יחס 3.0 1.36
ק"מ עם מיכל דלק. 450היום נוסעים כ-
אם נאמץ סוכר כדלק:
ק"מ 300, נאלץ למלא את המיכל כל 60%יעילות תא הדלק תהיה
),30%יעילות תא הדלק תהיה כה נמוכה כמו מנוע שריפה (~ ק"מ150 נאלץ למלא את המיכל כל
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 32
Fuel Eo* [V]
n ** H°kJ/mol
G°kJ/mol
(G°c)
m
[kJ/g]
(H°c)V
[kJ/cm3
]
Flamma
bility Limits
in Air [%]
AutoIgnitio
nin Air[0C]
Hydrogen 1.23 2 -285 -237 119 0.011 4 - 77 571
Methane 8 -890 -818 51 0.037 4 - 16 632
Methanol 6 -726 -702 22 17.37 6 - 50 470
Octane 50 -5471 -5297 48 33.533.5 1 - 6 220
Glucose 1.23 24 -2808 -2865 16 24.57 - -
Carbon (solid)
4 -393.5 -394.4 33 70.64 - 400
תכונות של דלקים
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 33
ΔG = -nFE°cell
-ΔG/nF = E°cell = -ΔG/(n 96,485 coul/mole) =
בטבלה E°cellחשב את ערכי
- מכשור אלקטרוני שכנר
Batteries and Fuel Cells (c) 34
להגדיר נצילות עבור תאי דלק
להוסיף בחלק של תאי הדלק את
האלקטרוליט ונושא המטען שלו
ASCOMP GmbH
http://www.fueleconomy.gov/feg/fcv_PEM.shtml