1. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries and Fuel Cells (c)1 מכשור אלקטרוני: פרק 10 - בטריות ותאי דלק הפקת חשמל במכונות חום1 בטריות2 סוגים מבנה,סוגים,תכונות בטריות מתכלות מבנה,סוגים,תכונות בטריות נטענות תאי דלק3 מבנה עקרון פעולה תא דלק בטמפרטורה גבוהה עד לשקף 31

2. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries and Fuel Cells (c)2 יעילות תהליכים לפי Carnot  = T H – T L THTH היעילות המרבית, , שניתן להפיק עבודה 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 [ 0 K]

3. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries and Fuel Cells (c)3 הדלק כמקור אנרגיה tE E reactants E products 2H 2 + O 2 2H 2 O  G combustion בזמן התהליך משתחררת אנרגיה האנרגיה המשתחררת מנוצלת ע"י מכונות חום, בטריות ותאי דלק עבור דלקים aFuel + bO 2  cH 2 O + dCO 2

4. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries and Fuel Cells (c)4 FuelFormulan (  G° c ) m [kJ/g] State at STP HydrogenH2H2 2119Gas MethaneCH 4 851Gas MethanolCH 3 OH622Liquid OctaneC 8 H 18 5048Liquid GlucoseC 6 H 12 O 6 2416Solid Carbon (solid) C433Solid Free energy liberated when one gram of fuel is completely oxidized into water and CO 2, in standard conditions Mass Free Energy of Combustion (Oxidation) Hydrogen Octane Glucose

5. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries and Fuel Cells (c)5 הפקת חשמל ע"י מכונת חום בעירה על מנת לקבל T גבוהה יצירת קיטור הנעת טורבינה 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 האלקטרונים היא היא האנרגיה החשמלית

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

7. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries and Fuel Cells (c)7 מתא גלווני לבטריה אלקטרודת Cu/Cu +2 אלקטרודת Fe/Fe +3 Cu +2 Fe +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

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

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

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

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

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

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

14. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries and Fuel Cells (c)14 אופן פעולה של תא דלק

15. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries and Fuel Cells (c)15 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 2 - חומרים חדשים : אלקטרו-קטליזטורים, אלקטרוליטים 3 - הפסדים בעיות חומרים פורוזיוויים

16. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries and Fuel Cells (c)16 תחומי מחקר Electrolyte Porous Conductive Fuel Catalyst Fuel Electrode Porous Conductive Oxygen Catalyst Ambient Oxygen 1234 סכרידים אנזימטי אי-אורגני חיבור

17. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries and Fuel Cells (c)17 עקומת פולריזציה E 0 = 1.23 OCV = 0.83 V mA/cm 2 Activation הפסדים

18. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries and Fuel Cells (c)18 הפסד ראשון יש 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(-  E a /kT) Fu ne - + Fu +n Fuel catalyst 1 - Activation Excited level Gound level Fuel Molecule Energy levels Valence Band Metal Electrode Energy Bands EFEF Excited level Gound level Fuel Molecule Energy levels Conduction Band Valence Band Semiconductor Electrode Energy Bands

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

20. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries 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 האלקטרוליט ולהגיב 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

21. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries and Fuel Cells (c)21 גורם שלישי להפסד 3 - Ohmic Losses יש התנגדות לתנועת אלקטרונים דרך הקטליזטור ודרך האלקטרודה יש התנגדות לתנועת היונים דרך האלקטרוליט V Fuel Catalyst Oxygen Catalyst Fuel Electrode Oxygen Electrode O -2 ++++++++++++ e- Fu +n Load e- Fu +n O -2 e- V IR = I R int R int = R electrolyte + R electrode

22. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries and Fuel Cells (c)22 גורם רביעיConcentration Losses (Nerst) יצירת מפל ריכוזים ליד האלקטרודות  [ products ]  [reactants]  E =  E 0 - kT ne ln צורך בסילוק תוצרים מאזור הממשק [c] Distance from electrode [mm] [Reactants] OCV [Reactants] t = x [products] OCV [Products] t = x בטריות קמות לתחייה

23. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries and Fuel Cells (c)23 V(i) and Power Density

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

25. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries and Fuel Cells (c)25 תא דלק אלקליני AFC- הראשון מבצעי נושא המטען : יון OH - V e-e- e-e- e-e- LOAD OH - H H + + e - O + 2e - O -2 2H 2 + 4OH - 4H 2 O + 4e - דלק : מימן חמצן e-e- e-e- e-e- O 2 + 4 e - +2H 2 O 4OH -

26. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries and Fuel Cells (c)26 Proton Exchange Membrane Perchlorosulphonic acid PTFE copolymer Nafion CF 2 –CF 2 –CF 2 –CF 2 –CF–CF 2 –CF 2 –CF 2 –CF–CF 3 O CF 2 O=S=O O-O- H+H+ O CF 2 O=S=O O-O- H 3 O + + H 2 O H 2 O + HH 2 O + תהליך דומה להולכה במים דוגמה להולכה במוצק. " מבודד " לגבי אלקטרונים. מוליך פרוטונים

27. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries 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 ההספק גבוה יותר על חשבון היעילות 2 - מסירת אלקטרונים מתבצעת ע"י החלק של המולקולות עם אלקטרונים ברמות הגבוהות

28. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries and Fuel Cells (c)28 סוגי תאי דלק Electrolyte High Temperature Phosphoric Acid PAFC 200 0 C Molten Carbonate 800 0 CMCFC Solid Oxide 800 0 C SOFC

29. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries and Fuel Cells (c)29 תאי דלק בטמפרטורה גבוהה 200 400 600 800 1000 0 C 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

30. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries 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

31. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries and Fuel Cells (c)31 השוואה בין גלוקוזה לאוקטן Fuel (  G° c ) m [kJ/g] (  H° c ) V [kJ/cm 3 ] Octane4833.5 Glucose1624.57 יחס3.01.36 היום נוסעים כ - 450 ק " מ עם מיכל דלק. אם נאמץ סוכר כדלק : יעילות תא הדלק תהיה 60 %, נאלץ למלא את המיכל כל 300 ק " מ יעילות תא הדלק תהיה כה נמוכה כמו מנוע שריפה (~ 30%), נאלץ למלא את המיכל כל 150 ק " מ

32. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries and Fuel Cells (c)32 FuelE o * [V] n **  H° kJ/mol  G° kJ/mol (  G° c ) m [kJ/g] (  H° c ) V [kJ/cm 3 ] Flamma bility Limits in Air [%] Auto Ignition in Air [ 0 C] Hydrogen1.232-285-2371190.0114 - 77571 Methane8-890-818510.0374 - 16632 Methanol6-726-7022217.376 - 50470 Octane50-5471-52974833.5 1 - 6220 Glucose1.2324-2808-28651624.57-- Carbon (solid)4-393.5-394.43370.64-400 תכונות של דלקים

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

34. מכשור אלקטרוני -שכנרBatteries 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