1 / 34

מכשור אלקטרוני: פרק 10 - בטריות ותאי דלק

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.

uriah-hood
Download Presentation

מכשור אלקטרוני: פרק 10 - בטריות ותאי דלק

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. מכשור אלקטרוני: פרק 10 - בטריות ותאי דלק עד לשקף 31 Batteries and Fuel Cells (c)

  2. TH – TL e = TH יעילות תהליכים לפי Carnot היעילות המרבית ,e , שניתן להפיק עבודה כאשר מנצלים מעבר של חום ממאגר בטמפרטורה גבוהה לנמוכה ניתן ע"י: T [0K] (500-300)/500 =0.4 (800 – 300)/800 = 0.625 ככל שהפרש הטמפרטורות גדול יותר, מכונות החום יעילות יותר Batteries and Fuel Cells (c)

  3. E 2H2 + O2 Ereactants DGcombustion Eproducts 2H2O t עבור דלקים aFuel + bO2 cH2O + dCO2 הדלק כמקור אנרגיה בזמן התהליך משתחררת אנרגיה האנרגיה המשתחררת מנוצלת ע"י מכונות חום, בטריות ותאי דלק Batteries and Fuel Cells (c)

  4. Mass Free Energy of Combustion (Oxidation) Free energy liberated when one gram of fuel is completely oxidized into water and CO2, in standard conditions Hydrogen Octane Glucose Batteries and Fuel Cells (c)

  5. בעירה על מנת לקבל T גבוהה יצירת קיטור הנעת טורבינה הפקת חשמל הפקת חשמל ע"י מכונת חום בבטריות ותאי דלק • התהליך מתרחש במתקן המפריד במעבר של: • יונים • אלקטרונים זרימת האלקטרונים היא היא האנרגיה החשמלית תאי דלק ובטריות אינן מכונות חום. חוק "היעילות של קרנו" לא חל עליהם Batteries and Fuel Cells (c)

  6. William R.Grove, 1839 מה זה "תא דלק"? מחולל חשמל אלקטרו-כימי מדלק 1 -יעיל יותר ממכונות Carnot הפועלות מתחת ל-800 0C תאי דלק אינם מכונות חום, אינם נשמעים לחוק קרנו. נתן להשיג e> 0.83 (500-300)/500 =0.4 (800 – 300)/800 = 0.625 2 – אנרגיה נקיה יותר ממנועי שריפה בתהליכי שריפה עם חמצן של האוויר נוצרים גם גזי NOX Batteries and Fuel Cells (c)

  7. Fe+3 Cu+2 Fe+3 Cu+2 אלקטרודת Fe/Fe+3 אלקטרודת Cu/Cu+2 אלקטרודת Cu/Cu+2 אלקטרודת Fe/Fe+3 Fe+3 Cu+2 אלקטרודת Fe/Fe+3 אלקטרודת Cu/Cu+2 מתא גלווני לבטריה Batteries and Fuel Cells (c)

  8. Load e- e- Electrode Electrode החומר המוסר אלקטרונים Electrolyte החומר המקבל אלקטרונים אלקטרודה A C+n אלקטרוליט A-m אלקטרודה B מבנה בסיסי של בטריה Batteries and Fuel Cells (c)

  9. Load Electrode Electrode החומר המוסר אלקטרונים Electrolyte החומר המקבל אלקטרונים Porous Conductive Oxygen Catalyst Ambient Oxygen Fuel Compartment Porous Conductive Fuel Catalyst Exhaust המבנה הקבוע יקר, החומרים המתכלים זולים מבטריה לתא דלק Batteries and Fuel Cells (c)

  10. A Fu ne- + Fu+n Catalyst Electrolyte Fuel 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- Negative Charged Layer Positive Charged Layer Interface התגובה באלקטרודת הדלק במעגל פתוח Batteries and Fuel Cells (c)

  11. O2 + 4e- 2 O-2 Electrolyte Catalyst Positive Charged Layer Negative Charged Layer Interface O-2 O-2 O-2 O-2 O-2 O-2 O-2 + + + + + + + + Ambient Oxygen התגובה באלקטרודת החמצן במעגל פתוח Batteries and Fuel Cells (c)

  12. V Load Oxygen Electrode Fuel Electrode Porous Conductive Oxygen Catalyst Fuel Compartment Porous Conductive Fuel Catalyst + + + + + + e- e- e- e- e- e- e- Fu+n Fu+n Fu+n Fu+n Fu+n Fu+n O-2 O-2 O-2 O-2 O-2 O-2 O-2 Ambient Oxygen בעזרת קטליזטורים מבאים את חומרי הגלם ה"זולים" למצב של נכונות למסור אלקטרונם (כמו בבטריות) תא דלק במעגל פתוח exhaust Batteries and Fuel Cells (c)

  13. ירידה במתח V Load Oxygen Electrode Fuel Electrode Porous Conductive Oxygen Catalyst Fuel Compartment Porous Conductive Fuel Catalyst + + + + + + e- e- e- e- e- e- e- Fu+n Fu+n Fu+n Fu+n Fu+n Fu+n O-2 O-2 O-2 O-2 O-2 O-2 O-2 Ambient Oxygen exhaust Fu+n e- O-2 תא דלק במעגל סגור e- e- Batteries and Fuel Cells (c)

  14. אופן פעולה של תא דלק Batteries and Fuel Cells (c)

  15. בעיות 1 - שטח לעומת נפח במכונות חום האנרגיה מופקת בכל הנפח, התגובות מתבצעות פזה אחת, הפזה הגזית. ב- FC הפקת האנרגיה מתבצע בשכבה דקה של הממשק הבין-תווכי, בעלת עובי של מספר ננומטרים חומרים פורוזיוויים 2 - חומרים חדשים: אלקטרו-קטליזטורים, אלקטרוליטים 3 - הפסדים Batteries and Fuel Cells (c)

  16. חיבור חיבור Fuel Porous Conductive Fuel Catalyst Electrolyte Electrode Electrode Porous Conductive Oxygen Catalyst Ambient Oxygen תחומי מחקר 1 2 3 4 סכרידים • אנזימטי • אי-אורגני Batteries and Fuel Cells (c)

  17. הפסדים V עקומת פולריזציה E0= 1.23 Activation OCV = 0.83 mA/cm2 Batteries and Fuel Cells (c)

  18. 1 - Activation Fuel catalyst Fu ne- + Fu+n Excited level Excited level Conduction Band EF Gound level Gound level Valence Band Valence Band Metal Electrode Energy Bands Fuel Molecule Energy levels Semiconductor Electrode Energy Bands Fuel Molecule Energy levels הפסד ראשון יש שני מצבים הנבדלים בהפרש אנרגיה. לפי חוק החלוקה של וולצמן: ]Fu+n[ = [Fu]exp(-DEa/kT) יש צורך באנרגיה ע"מ להעביר את האלקטרונים לקטליזטור. רק לחלק ממולקולות הדלק ישנה האנרגיה הדרושה. Batteries and Fuel Cells (c)

  19. Oxygen catalyst O2 + 4e- 2O-2 הפסד ראשון : Activation קיים מצב דומה באלקטרודת החמצן ]e-cat[ = [e-cat[0exp(-DEa/kT) האלקטרונים ב-"קטליזטור של החמצן" חייבים להימצא ברמה גובהה מהרמה הריקה באטום החמצן בבטריה האלקטרונים כבר ברמות הנכונות. הושקעה אנרגיה להכנתם הפסד האקטיבציה מופיע גם כאשר המעגל פתוח Batteries and Fuel Cells (c)

  20. 2 - Crossover Losses מולקולת דלק עלולה לנוע דרך האלקטרוליט ולהגיב ישירות עם יון החמצן ללא מסירת אלקטרונים לאלקטרודת הדלק גורם הפסד נוסף מולקולות חמצן עלולה לנוע דרך האלקטרוליט ולהגיב ישירות עם יון הדלק, מבלי לקבל אלקטרונים מאלקטרודת החמצן אלקטרונים מאלקטרודת הדלק עלולים לנוע דרך האלקטרוליט ולא דרך העומס מופיע גם כאשר המעגל פתוח Batteries and Fuel Cells (c)

  21. V e- e- Load Oxygen Electrode Fuel Electrode Oxygen Catalyst Fuel Catalyst + + + + + + e- e- e- e- e- e- e- Fu+n Fu+n Fu+n Fu+n Fu+n Fu+n O-2 O-2 O-2 O-2 O-2 O-2 O-2 e- Fu+n O-2 3 - Ohmic Losses גורם שלישי להפסד יש התנגדות לתנועת אלקטרונים דרך הקטליזטור ודרך האלקטרודה יש התנגדות לתנועת היונים דרך האלקטרוליט VIR = I Rint Rint =Relectrolyte + Relectrode Batteries and Fuel Cells (c)

  22. kT P [products] ln DE = DE0 - ne P [reactants] [Reactants]OCV [c] [Reactants]t = x [Products]t = x [products]OCV Distance from electrode [mm] גורם רביעיConcentration Losses (Nerst) יצירת מפל ריכוזים ליד האלקטרודות צורך בסילוק תוצרים מאזור הממשק בטריות קמות לתחייה Batteries and Fuel Cells (c)

  23. V(i) and Power Density Batteries and Fuel Cells (c)

  24. AFC Alkaline PEMFC Proton Exchange Membrane - PEM Bio Fuel Cell Water סוגי תאי דלק Room Temperature Electrolyte Enzymatic Microbiological Batteries and Fuel Cells (c)

  25. V e- e- e- e- LOAD דלק: מימן חמצן e- e- OH- H H+ + e- OH- O + 2e- O-2 OH- OH- O2 + 4 e- +2H2O4OH- 2H2 + 4OH- 4H2O + 4e- תא דלק אלקליני AFC- הראשון מבצעי נושא המטען: יון OH- Batteries and Fuel Cells (c)

  26. O O CF2 CF2 CF2 CF2 H2O + HH2O+ H3O+ + H2O O=S=O O=S=O H+ O- O- Proton Exchange Membrane Perchlorosulphonic acid PTFE copolymer Nafion CF2–CF2–CF2–CF2–CF–CF2–CF2–CF2–CF–CF3 דוגמה להולכה במוצק . "מבודד" לגבי אלקטרונים. מוליך פרוטונים תהליך דומה להולכה במים Batteries and Fuel Cells (c)

  27. High Temperature Fuel Cell מדוע צריכים? 1 - במכונות קרנו (מנועי שריפה) התגובות מתרחשות בכל הנפח של המערכת. בתאי דלק התגובות מתרחשות על פני השטח של האלקטרודות. יש צורך להשקיע אנרגיה להבאת המגיבים לשטח האלקטרודות 2 - מסירת אלקטרונים מתבצעת ע"י החלק של המולקולות עם אלקטרונים ברמות הגבוהות ההספק גבוה יותר על חשבון היעילות Batteries and Fuel Cells (c)

  28. PAFC Phosphoric Acid 200 0C Molten Carbonate MCFC 800 0C Solid Oxide 800 0C SOFC סוגי תאי דלק High Temperature Electrolyte Batteries and Fuel Cells (c)

  29. e 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 Heated FC Unheated FC GT 200 400 600 800 1000 0C תאי דלק בטמפרטורה גבוהה חימום תא דלק פוגע ביעילות אבל מגדיל את ההספק שילוב תא דלק עם טורבינת גז או מערכות חימום Batteries and Fuel Cells (c)

  30. נפוץ לא דליק קל להפיק לא רעיל Enzymatic AFC לא נפיץ לא מתנדף מחוסר ריח אורט בראודה קל להוביל קל לאחסן הדלק Saccharide Fuel Cell Cellulose: 50% of the weight of the Flora Batteries and Fuel Cells (c)

  31. השוואה בין גלוקוזה לאוקטן היום נוסעים כ-450 ק"מ עם מיכל דלק. אם נאמץ סוכר כדלק: יעילות תא הדלק תהיה כה נמוכה כמו מנוע שריפה (~ 30%), נאלץ למלא את המיכל כל 150ק"מ יעילות תא הדלק תהיה 60%, נאלץ למלא את המיכל כל 300 ק"מ Batteries and Fuel Cells (c)

  32. תכונות של דלקים Batteries and Fuel Cells (c)

  33. ΔG = -nFE°cell -ΔG/nF = E°cell = -ΔG/(n 96,485 coul/mole) = חשב את ערכי E°cellבטבלה Batteries and Fuel Cells (c)

  34. להגדיר נצילות עבור תאי דלק ASCOMP GmbH http://www.fueleconomy.gov/feg/fcv_PEM.shtml להוסיף בחלק של תאי הדלק את האלקטרוליט ונושא המטען שלו Batteries and Fuel Cells (c)

More Related