Chemické zdroje elektrické energie

Transkript

1 Chemické zdroje elektrické energie Výkonová elektronika - přednášky Projekt ESF CZ.1.07/2.2.00/ Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů.

2 Chemické zdroje elektrické energie aktivní elektrické prvky, které převádějí energii chemické reakce na energii elektrickou napětí individuálního prvku podle použitých reaktantů (1 4 V) konfigurace: jednotlivý prvek chemický článek, řazení do série - baterie výuky technických předmětů 2

3 Rozdělení chemických článků primární články vyrobeny tak, že nejsou po spotřebě určeny opětovnému nabití, na konci životnosti se vyhazují od počátku mají plnou kapacitu energie, omezená živostnost záložní články uživatel před prvním použitím provede předepsaný úkon, od tohoto okamžiku běží životnost článku sekundární články po vybití jsou určeny k opětovnému nabití po vyrobení je obvyklé, že nejsou nabité palivové články reaktanty se dodávají během spotřeby energie specifické podmínky provozu výuky technických předmětů 3

4 Princip funkce chemických zdrojů energie princip při oxidaci se uvolňuje energie, dochází při ní k přesunu elektrického náboje, využití jako zdroje elektrické energie příklad článku: (Voltův) elektrody ze zinku (A) a mědi (B) ponořeny do elektrolytu elektrody se rozpouštějí, hromadění elektronů na elektrodě podle typu elektrochemického potenciálu, vznik elektrochemického napětí (pro každý materiál jiné napětí) možnost odebírat elektrický proud elektrochemický článek výuky technických předmětů 4

5 Chemický článek v elektrickém obvodu napětí určeno elektrochemickým potenciálem elektrod (nemění se) označení elektrod podle aktuální funkce (anoda, katoda) proud mění směr vybíjení vs nabíjení vybíjení: U L < U E nabíjení: U L > U E výuky technických předmětů 5

6 Teoretická kapacita článku odvozena od velikosti elektrického náboje, které jsou schopny uvolnit elektrody do úplného vyčerpání - odpovídá množství dostupného materiálu elektrod Teoretické napětí článku oxidační potenciál anody + redukční potenciál katody s růstem odebíraného proudu klesá výstupní VA charakteristika, časová charakteristika výuky technických předmětů 6

7 Reakce na elektrodě E 0, V Reakce na elektrodě E 0, V Li + + e Li Rb + + e Rb Cs + + e Cs K + + e K Ba e Ba Sr e Sr Ca e Ca Na + + e Na Mg e Mg Be e Be Al e Al Mn e Mn Zn e Zn Ga e Ga Fe e Fe Cd e Cd In e In 3,01 2,98 2,92 2,92 2,92 2,89 2,84 2,71 2,38 1,70 1,66 1,05 0,76 0,52 0,44 0,40 0,34 Tl + + e Tl Co e Co Ni e Ni Sn e Sn Pb e Pb D + + e ½ D 2 H + + e ½ H 2 Cu e Cu ½O 2 + H 2 O + 2e ½ 2OH Cu + + e Cu Hg e Hg Ag + + e Ag Pd e Pd Ir e Ir Br 2 + 2e 2Br O 2 + 4H + + 4e 2H 2 O Cl 2 + 2e 2Cl F 2 + 2e 2F 0,34 0,27 0,23 0,14 0,13 0,003 0, ,34 +0,40 +0,52 +0,80 +0,80 +0,83 +1,00 +1,07 +1,23 +1,36 +2,87 výuky technických předmětů 7

8 Hlavní parametry elektrochemických článků teoretické napětí U podle potenciálů napětí při nominálním proudu U N kapacita C (celkový náboj, který je schopen článek při dodržení stanovených podmínek poskytnout) převádí se na objem mah/l, nebo hmotnost ma/kg energie v článku (U.Q) převod na hmotnost nebo objem další parametry rozsah pracovních teplot, doporučený nabíjecí proud výuky technických předmětů 8

9 Primární články - vlastnosti po vyrobení jsou plně nabité standardní velikosti (A, AA, AAA, C, D) pro přenosné přístroje s malým odběrem životnost 3 až10 let Podskupiny primárních článků suché články elektrolyt je velmi zahuštěný vodný roztok lithiové články lithium z pevných látek největší měrná kapacita v elektrolytu není voda (rozklad s lithiem) výuky technických předmětů 9

10 Srovnání parametrů nejdůležitějších suchých článků systém Anoda-katoda (Elektrolyt) maximálnín ominální napětí (V) provozní napětí (V) vyčerpaná provozní teplota ( C) hustota energie (Wh/l) hustota energie (Wh/kg) další vlastnosti Zn-C Leclanché Zn-MnO2 1,5-1,75 NH 4 Cl,ZnCl 2 1,5 1,1-1,25 0, Nejlevnější, malá měr. kapacita Zn-C Heavy Duty Zn-MnO 2 1,5-1,6 ZnCl 2 1,5 1,1-1,25 0, Kvalitnější náhrada předešlé Zn-MnO 2 alkalické Zn-MnO 2 KOH 1,5-1,6 1,45;1,5 1,15-1,25 0, Větší proudy, nejrozšířenější Mg-MnO 2 Hořčíkové Mg-MnO 2 MgBr 2, Mg(ClO 4 ) 1,9-2,0 1,6 1,6-1,8 1, Zvláštní užití (militar) Zn-Ag Zinko-stříbrné Zn-Ag 2 O KOH,NaOH 1,6 1,5 1,5-1,6 1, kval, vysoká měr. kapacita, drahé Zinkovzduchové Zn-O 2 KOH 1,5 1,45 1,1-1,3 0, Jako před, závislá na okolí Mercury Hg-Zn Zn-HgO KOH, NaOH 1,35 1,35 1,2-1,3 0, stabilní napětí jedovaté Mercad Hg-Cd Cd-HgO KOH 0,9 0,9 0,75-0,85 0, Velký rozsah teplot, jedovaté výuky technických předmětů 10

11 Zinko-uhlíkový článek (Leclanché) chemické zdroje elektrické energie nejstarší hromadně vyráběný článek, nejlevnější v současnosti zastaralé záporná elektroda Zinek kladná burel (MnO 2 ) elektrolyt salmiak NH 4 Cl a chlorid zinečnatý (ZnCl 2 ) Zn + 2MnO2 2MnOOH + Zn NH 3 2 Zinko-uhlíkový článek (modernější typ Heavy duty) elektrolyt chlorid zinečnaty vyšší kapacita Zn 2MnO NH 2 2NH4Cl 2MnOOH Zn( 3) 2 Zn MnO H O ZnCl 2MnOOH Zn( OH) Cl výuky technických předmětů 11

12 alkalický článek záporná elektroda Zn kladná MnO2 elektrolyt KOH, NaOH chemické zdroje elektrické energie výuky technických předmětů 12

13 Nabíjecí alkalický článek (RAM - Rechargable Alkaline Manganese) chemické zdroje elektrické energie Stejný chemické složení jako u alkalických primárních článků Po výrobě v nabitém stavu v pravém smyslu jde o regeneraci, ne nabití Po nabití poloviční kapacita proti novému článku kapacita závisí na vybíjecím proudu Nižší cena, než NiCd nebo NiMH akumulátory výuky technických předmětů 13

14 Stříbro-oxidové baterie velmi dlouhá výdrž, odolnost, vysoká hustota energie, vysoká cena jen pro malé články (knoflíkové) Ag 2 O Zn 2Ag ZnO Zinko-kyslíkové články vysoká hustota energie, závislost na prostředí levné suroviny na výrobu výuky technických předmětů 14

15 Lithiové primární články využívají vysoké elektrochemické napětí lithia (3,08 V) a vysokou měrnou kapacitu (až 3860 Ah/kg) anodový materiál lithium (plíšek, sběrač ocel) katoda různé materiály (tabulka) rozdělení s tuhou katodou organický polární elektrolyt s rozpustnou katodou tuhým elektrolytem články napětí 2 4 V, napájení přenosných zařízení největší kapacita z primárních článků, dlouhá životnost, drahé (kvůli náročné technologii) záloha pamětí v poč, biomedicínské přístroje, vojenské využití výuky technických předmětů 15

16 Lithiové primární články přehled systém Popis systému Maximální/ nominální napětí (V) provozní napětí (V)/ vyčerpaná provozní teplota ( C) hustota energie (Wh/l) hustota energie (Wh/kg) další vlastnosti Li-SO 2 rozpustná kat. 3,1 3,0 2,75-2,9 2, Li-SOCl 2 rozpustná kat. 3,65 3,6 3,3 3,6 3, Li-MnO 2 3,3 3,0 2,7 3,0 2, Li-FeS 2 1,8 1,5 1,6-1,8 1, Li-Solid- State 2,8 2,8 2,6 2,8 2, výuky technických předmětů 16

17 Sekundární chemické zdroje akumulátory chemické články pro ukládání elektrické energie vyrábějí se jako nenabité (nepatří sem články RAM) různé provedení podle velikosti omezený počet cyklů, závisí na provozu, zkrácení životnosti je způsobeno hluboké vybití obvykle vadí, u Pb akumulátorů vede na sulfataci (vznik PbS, který se nabíjením neodbourá - růst sériového odporu, neposkytne dostatečný proud), u Liion akumulátoru vede k celkové degradaci (elektronická ochrana proti úplnému vybití) překročení stanoveného napětí na článku plynování (generování plynů, vodík, kyslík aj elektrolýzou, zvyšování vnitřního tlaku, rekombinace (spalování) vodíku s kyslíkem značné zahřívání), riziko poškození obalu paměťový efekt - dobíjení při slabě vybitém alkalickém akumulátoru paměťový efekt (snížení kapacity) nutné provozovat optimálně podle typu akumulátoru výuky technických předmětů 17

18 Olověné akumulátory chemické zdroje elektrické energie nejstarší rozšířené sekundární, olověné desky ponořené do H 2 SO 4 Anoda (-) houbové olovo (póry umožňují ukládání PbSO4 Katoda (+) Oxid olovičitý PbO2 vybíjení Pb + PbO 2 + 2H 2 SO 4 2PbSO 4 + 2H 2 O nabíjení jeden článek 2 V, poměrně nízký RS vysoké proudy Wh/kg, 180 W/kg, účinnost nabíjení 70-92%, počet cyklu rozdělení podle použití: SLI (starting, lighting, ingition startování, svícení, zapalování) automobily Pohonné (akumulátorové dopravní prostředky pro převoz materiálu) Stacionární (akumulátorovny pro zajištění síťového napětí, kompenzace, atd., záloha pro ostrovní systémy) malé stacionární - UPS výuky technických předmětů 18

19 Alkalické akumulátory chemické zdroje elektrické energie NiCd (50 Wh/kg), NiMn (150 Wh/kg), NiFe (100 Wh/kg) elektrody kovové, název značka použitého prvku v elektrodách elektrolyt vodný roztok KOH s příměsí LiOH vybíjení 2Ni OH 2 + Cd OH 2 2NiOOH + Cd + H 2 O provedení nabíjení velké s tekutým elektrolytem, malé (NiCd) - zapouzdřené další vlastnosti vyšší počet cyklů , napětí 1,2 V, menší proud,účinnost nabíjení výrazný paměťový efekt při nesprávném způsobu nabíjení a vybíjení ztrácejí kapacitu výuky technických předmětů 19

20 NiCd akumulátor - malý elektrolyt v pevné fázi nabíjecí náhrada primárních zinkouhlíkových a alkalických článků do kapesních a příručních nezávislých zařízení doba nabití maximálně měsíce, stárnutím roste vybíjecí proud (tedy i doba nabití) Konstrukce vinuté elektrody snižují sériový odpor chemické zdroje elektrické energie výuky technických předmětů 20

21 NiMH akumulátory chemické zdroje elektrické energie Náhrada NiCd (Cd jedovaté), vyšší kapacita Cd nahrazeno pórovitou slitinou pro adsorbci vodíku při nabíjení. při překročení nabíjecího napětí 1,6 V vzniká kyslík, rekombinace s vodíkem na záp. elektrodě zahřívání, pokles kapacity a životnosti Nižší paměťový efekt proti NiCd, větší vnitřní odpor menší zkratový proud výuky technických předmětů 21

22 Lithium-iontové akumulátory využívají atomární lithium pro ukládání elektrické energie, vysoký elekrochemický potenciál lithia vůči neutrální elektrodě >3 V, elektrolyt polární rozpouštědlo, nesmí obsahovat vodu (lithium vodu rozkládá). Polymerový elektrolyt Lithium-polymerové články anoda kovová nebo uhlíková matrice pro ukládání Li iontů po nabití (požadován velký povrch pro apsorbování velkého množství iontů) katoda Li sůl, podle složení je výstupní napětí článku od 3,3 do 4 V energie do 200 Wh/kg (teor. až 7x více, než olověné) omezená životnost vlastní degradace vlivem chemic- ké agresivity lithia široké využití v mobilních prostředcích (telefony, ruční nářadí, zdroj energie pro elektromobily) výuky technických předmětů 22

23 Palivové články (Fuel cells) průběžný chemický článek,reaktanty jsou dodávány podle spotřeby, zplodiny průběžně odebírány (může pracovat prakticky nepřetržitě) Rozdělení FC přímý systém dodává se přímo palivo, které se účastní procesu (např. vodík), požadovaná vysoká čistota paliva nepřímý systém přivedené palivo se rozkládá na doplňovacím systému, aby vznikl vodík (vysoká cena článku velký rozsah poskytovaného elektrického výkonu u jednoho článku (mw MW) nízké napětí (1 V) skládání do baterií výuky technických předmětů 23

24 Základní typy palivových článků - vysokoteplotní SOFC (Solid oxide fuel cell) vývojový typ článku pro přenos ionty O 2-, elektrolyt je tuhý oxid kovů (keramika) drahý, teplota 1000 C, účinnost 60%, palivo zemní plyn, vzduch, nepotřebuje katalyzátor MCFC (Molten carbonate fuel cell) vývojový typ článku přenos ionty CO 3 2-, elektrolyt směs Na 2 CO 3 a Li 2 CO 3 nebo K 2 CO 3 a LiCO 3, vysoce vodivá, chemicky agresivní. teplota C, palivo zemní nebo důlní plyn + vzduch, katalyzátor Ni výuky technických předmětů 24

25 Základní typy palivových článků PAFC (Phosphor acid fuel cell) komerčně dostupný typ palivového článku, jako záložní zdroj pro instituce nemocnice, hotely, úřady přenos ionty H +,elektrolyt H 3 PO 4, teplota 220 C, palivo vodík, katalyzátor AFC (Alkaline fuel cell) článek pro speciální účely vývoj NASA pro Apollo a Shuttle, přenášený iont OH, elektrolyt KOH, teplota 200 C, palivo H 2, O 2 (vzdušný ne, vadí CO 2 ), katalyzátor výuky technických předmětů 25

26 Základní typy palivových článků - nízkoteplotní PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) komerční typ článku, pro mobilní použití, automobily, autobusy, aktuálně velký rozvoj pro přenos ionty H +, elektrolyt perfluorinated ionomer polymer membrane vyšší cena, teplota C, účinnost palivo vodík, kyslík, MCFC (Direct Methanol fuel cell) komerční typ článku, pro mobilní použití malé přístroje pro přenos ionty H +, elektrolyt perfluorinated ionomer polymer membrane vyšší cena, teplota C, účinnost palivo vodík, kyslík, výuky technických předmětů 26

27 Palivový článek s PEM chemické zdroje elektrické energie praktická realizace (sériové řazení článků) svislé kanálky vodík (s vysokou čistotou) vodorovné kanálky (kyslík nebo čištěný vzduch) automobily, autobusy výuky technických předmětů 27

28 RFC (Regenerative Fuel Cell) chemické zdroje elektrické energie realizovaný, pracuje obousměrně schopen akumulovat elektrickou energii v chemické formě. Projektované zařízení (Little Barford - UK) pro skladování energie pro 100 MWh a výše (vyrovnávání špiček výroby elektrické energie) problémy s korozí elektrod 2Na S Na S Na NaBr 2Na 2e 3NaBr 3 e výuky technických předmětů 28

29 Ultrakapacitor prvek s elektrickou vlastností kondenzátoru ukládá elektrický náboj, má pevnou hodnotu kapacity (1 100 F), nízké napětí (1 3) V dáno potenciálem mezi elektrolytem a elektrodou kondenzátor - při odběru poloviny uložené energie klesne napětí na 0,707 původní hodnoty napětí 100 větší hustota energie než u elektrolytických kondenzátorů skládání do baterií princip využití potenciálu mezi elektrolytem a elektrodou s velkým povrchem (aktivní uhlík, nanočástice, atd) oddělení elektrod separátorem (mikropórézní materiál, pohyb elektronů) použití rychlé uložení energie (rekuperace motorů při brzdění), vysoká účinnost, nutný speciální měnič. E 1 CU 2 2 výuky technických předmětů 29

30 výuky technických předmětů Děkuji za pozornost Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/ výuky technických předmětů, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.