מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries and Fuel Cells (c)1 מכשור אלקטרוני:...

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


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]



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



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



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



?"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



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



מבנה בסיסי של בטריה

Aאלקטרודה

אלקטרוליט

Bאלקטרודה

Electrode Electrode

Loade- e-

Electrolyteהחומר המוסר

אלקטרונים

החומר המקבל

אלקטרוניםA-m

C+n



Exhaust

מבטריה לתא דלק ,המבנה הקבוע יקרהחומרים המתכלים

זולים

Electrolyte

החומר המוסר

אלקטרונים

Electrode Electrode

Load

החומר המקבל

אלקטרונים



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



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



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)



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-



אופן פעולה של תא דלק



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



תחומי מחקר

Electrolyte

PorousConductive

Fuel Catalyst

Fuel

Electrode Electrode

PorousConductiveOxygen Catalyst Ambient

Oxygen

1 2 3 4

סכרידים אנזימטי•אי-אורגני•

חיבור חיבור



עקומת פולריזציה

E0 = 1.23

OCV = 0.83

V

mA/cm2

Activation

הפסדים



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



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 :



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



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



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



V(i) and Power Density



סוגי תאי דלק

Electrolyte

AlkalineAFC

Proton Exchange Membrane - PEMPEMFC

Room Temperature

WaterBio Fuel Cell

Enzymatic Microbiological



- 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-



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



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



סוגי תאי דלק

Electrolyte

High Temperature

Phosphoric AcidPAFC 200 0C

Molten Carbonate 800 0CMCFC

Solid Oxide 800 0CSOFC



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



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



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



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



ΔG = -nFE°cell

-ΔG/nF = E°cell = -ΔG/(n 96,485 coul/mole) =

בטבלה E°cellחשב את ערכי



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

Date post:	20-Dec-2015
Category:	Documents
View:	217 times
Download:	3 times

מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries and Fuel Cells (c)1 מכשור אלקטרוני:...

Documents