Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

1 Wykorzystane materiały –S. Thomas, M. Zalbowitz, Fuel Cells-Green Power, Los Alamos National Laboratory, 1999

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "1 Wykorzystane materiały –S. Thomas, M. Zalbowitz, Fuel Cells-Green Power, Los Alamos National Laboratory, 1999"— Zapis prezentacji:

1 1 Wykorzystane materiały –S. Thomas, M. Zalbowitz, Fuel Cells-Green Power, Los Alamos National Laboratory, Vailant GmbH

2 2 Wodór Wodór jest najpowszechniej występującym pierwiastkiem we Wszechświecie. Występuje w gwiazdach i obłokach międzygwiazdowych. W stanie wolnym występuje w postaci gazowych cząsteczek dwuatomowych H 2, tworząc wodór cząsteczkowy. Na Ziemi w tej postaci występuje w górnej warstwie atmosfery (0,9%). W postaci związanej wchodzi w skład wielu związków nieorganicznych (np.: wody, kwasów, zasad, wodorotlenków) oraz związków organicznych (węglowodory i ich pochodne)

3 3 Wodór - historia Prawdopodobnie pierwszą osobą, która opisała otrzymywanie wodoru w stanie czystym był alchemik Paracelsus żyjący w latach 1493–1541. Paracelsus wykonywał eksperymenty polegające na wrzucaniu metali do kwasów i zbieraniu do naczyń gazowych produktów tych reakcji, co do dzisiaj stanowi najprostszy sposób otrzymywania tego pierwiastka w warunkach laboratoryjnych.alchemik Eksperymenty te powtórzył w 1661 r. Robert Boyle. Pierwszą osobą, która uznała wodór za pierwiastek, a właściwie flogiston, czyli "pierwiastek palności", będący przedmiotem błędnej teorii flogistonowej i reliktem wielowiekowej tradycji alchemii, był Henry Cavendish (1766). Pristley opisał wybuchową naturę mieszanki wodoru z powietrzem, zwanej dziś mieszaniną piorunującą, a wówczas aria tonante - z włoskiego - "powietrze grzmiące". Pierwotnie polska nazwa, przetłumaczona z łaciny przez Jędrzeja Śniadeckiego brzmiała "wodoród". Nazwę tą przyjęli także Chodkiewicz, Fonberg, Krzyżanowski i Radwański, który używał także nazwy "lżeń". Z biegiem czasu została skrócona do powszechnie dziś znanej którą Jako pierwszy nazwę "wodór" zaproponował Filip Walter, co zatwierdziła krakowska Akademia Umiejętności w roku 1900.FonbergFilip WalterAkademia Umiejętności1900

4 4 Wodór - historia aria tonante - z włoskiego - "powietrze grzmiące„ (Volta, 1776) O słuszności nazwy przekonał się na własnej skórze Pilatre Rozier. Na wieść o doświadczeniach Cavendisha postanowił je powtórzyć. Łykał „powietrze palne” i wydmuchiwał je przez otwarte usta na płomień. Gdy powtórzył doświadczenie, zastępując czyste „powietrze palne” przez jego mieszaninę z powietrzem zwykłym nastąpił wybuch. „Miałem wrażenie, że mi wszystkie zęby wylecialy” – żalił się później.

5 5 Położenie wodoru w układzie okresowym i jego ogólne właściwości 1. Struktura elektronowa atomu wodoru: 1s 1 Stopnie utlenienia wodoru: +1 i –1: *Podobieństwo do litowców + 1 stopień utlenienia (H + ), np. H, H 2 O, H 2 SO 4 *Podobieństwo do fluorowców - 1 stopień utlenienia (H - )  wodorki metali (np. LiH), - nietrwały w obecności wody: H - + H 2 O = H 2 + OH - - elektroujemność (wg. P): H2,1 Litowce1 - 0,7 Fluorowce 4 - 2,2

6 6 Kation wodorowy Kation wodorowy H + jest w istocie równoważny protonowi. W stanie wolnym występuje on w próżni, plazmie i górnych warstwach atmosfery ziemskiej (promienie UV jonizują atomy wodoru). W roztworach wodnych kation ten jest natychmiast solwatowany do jonu hydroniowego H 3 O + : H + + H 2 O → H 3 O + Czasami, w równaniach dysocjacji elektrolitycznej podaje się uproszczenie H 3 O + i pisze się po prostu H +, co zupełnie mija się z prawdą. Z tego względu należy pamiętać, że skala pH jest miarą aktywności jonów hydroniowych, a nie wodorowych.

7 7 Metody otrzymywania wodoru Rozkład wody Niektóre metale roztwarzają się w wodzie. Przykład: sód 2Na + 2H 2 O = H 2 + 2Na + + 2OH - W wodzie roztwarzają się także: Li, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba Elektroliza wody - wodnych roztworów elektrolitów, np. NaCl katoda : 2H + + 2e = H 2

8 8 Metody otrzymywania wodoru Z kwasów i zasad w reakcji z metalami nieszlachetnymi metal nieszlachetny + kwas  wodór Zn + 2H + = Zn 2+ + H 2 Fe + 2H + = Fe 2+ + H 2 amfoteryczny metal nieszlachetny + zasada  wodór Zn + 2OH - + 2H 2 O = [Zn(OH) 4 ] 2- + H 2 2Al + 2OH - + 6H 2 O = 2[Al(OH) 4 ] - + 3H 2

9 9 Metody otrzymywania wodoru Reakcja Boscha (metoda Boscha) - reakcja chemiczna uzyskiwania wodoru przez rozpad pary wodnej przy użyciu rozżarzonego koksu. Reakcja zachodzi w temperaturze ok °C. W jej wyniku otrzymuje się pierwotnie tzw. gaz wodny (CO+H 2 ). C + H 2 O → CO + H 2 Gaz ten następnie mieszany jest z parą wodną. W dalszym procesie w temperaturze °C gaz wodny poddaje się konwersji na katalizatorze Fe 2 O 3 i Cr 2 O 3. W wyniku tego wydziela się dwutlenek węgla (CO 2 ). CO + H 2 + H 2 O → CO 2 + 2H 2 Mieszaninę gazów oczyszcza się z CO 2. Przy ciśnieniu rzędu MPa większa jego część jest pochłaniana w wodzie. Resztkowe ilości dwutlenku węgla pochłaniane są następnie przez roztwór NaOH.

10 10 Metody otrzymywania wodoru Z gazu ziemnego (katalizator: Ni, 700 K) CH 4 + 2H 2 O = CO + 3H 2 CO + H 2 O = CO 2 + H 2 termiczny rozpad CH 4 2CH 4 → C 2 H 2 + 3H 2 (T=2000 °C) reakcje metanu z tlenem 2CH 4 + O 2 → 2CO + 4 H 2

11 11 Elektroliza wody

12 12 Proces rozkładu wody prądem elektrycznym w celu otrzymania wodoru i tlenu. Ponieważ czysta woda praktycznie nie przewodzi prądu elektrycznego jako elektrolit stosuje się rozcieńczony roztwór kwasu siarkowego lub wodorotlenku sodowego. Proces prowadzi się w elektrolizerach wyposażonych w kilkadziesiąt elektrod stalowych i przepony azbestowe oddzielające część anodową od katodowej. Wodór i tlen produkuje się metodą e.w. w przypadku dysponowania tanią energią elektryczną. Rozwój przemysłu petrochemicznego i przeróbka gazu ziemnego, będących tańszym źródłem wodoru, spowodował, że e.w. straciła znaczenie.

13 13 Elektroliza: rozważmy elektrolizę roztworu NaCl, którego stężenie wynosi 1mol/dm 3 Możliwe reakcje utlenienia: 2Cl – (aq) = Cl 2 (g) + 2e – E° = V 2H 2 O = 4H + (aq) + O 2 (g) + 4e – E° = 0.82 V (zjawisko nadnapięcia powoduje,że E utleniania wody wynosi 1.4 V) Możliwe reakcje redukcji: Na + (aq) + e – = Na(s)E° = –2.713 V 2H 2 O + 2e – = H 2 (g) + 2OH – (aq)E° = V (zjawisko nadnapięcia powoduje,że E redukcji wody wynosi -0.8 do-1.0 V) Możliwe reakcje utlenienia: 2Cl – (aq) = Cl 2 (g) + 2e – E° = V 2H 2 O = 4H + (aq) + O 2 (g) + 4e – E° = 0.82 V (zjawisko nadnapięcia powoduje,że E utleniania wody wynosi 1.4 V) Możliwe reakcje redukcji: Na + (aq) + e – = Na(s)E° = –2.713 V 2H 2 O + 2e – = H 2 (g) + 2OH – (aq)E° = V (zjawisko nadnapięcia powoduje,że E redukcji wody wynosi -0.8 do-1.0 V)

14 14 Elektroliza: rozważmy elektrolizę roztworu NaCl, którego stężenie wynosi 1mol/dm 3 Ze względu na nadnapięcie potencjał otrzymywania O 2 (g) wynosi ok. 1.5 V W rezultacie będziemy otrzymywać Cl 2 (g) i H 2. Anoda, utlenianie: 2Cl – (aq) = Cl 2 (g) + 2e – E° Cl2/Cl- = V katoda, redukcja: 2H 2 O + 2e– = H 2 (g) + 2OH – (aq)E° = V (zjawisko nadnapięcia powoduje, że E redukcji wody wynosi -0.8 do- 1.0 V)

15 15 Elektroliza wody Możliwe reakcje utlenienia: 2SO 4 2– (aq) = S 2 O 8 2– (aq) + 2e–E° = 2.01 V 2H 2 O = 4H + (aq) + O 2 (g) + 4e–E° = 0.82 V (zjawisko nadnapięcia powoduje,że E utleniania wody wynosi 1.4 V) Możliwe reakcje redukcji: H + (aq) + e– = H 2 E° = 0 V 2H 2 O + 2e– = H 2 (g) + 2OH – (aq)E° = V (zjawisko nadnapięcia powoduje,że E redukcji wody wynosi -0.8 do-1.0 V)

16 16 Izotopy wodoru Wodór (H) (Masa atomowa: 1, (7)) posiada trzy występujące naturalnie izotopy, 1 H, 2 H, i 3 H. Pozostałe, ( 4 H - 7 H) zostały wytworzone sztucznie i nie występują w środowisku naturalnym.Wodór Wodór jest jedynym pierwiastkiem, który posiada w powszechnym użyciu nazwy dla swoich izotopów. Dla deuteru i trytu stosuje się ponadto oznaczenia odp. D i T (zamiast 2 H i 3 H).Wodór

17 17 Izotopy wodoru The energy gained from a fusion reaction is enormous. To illustrate, 10 grams of Deuterium (which can be extracted from 500 litres of water) and 15g of Tritium (produced from 30g of Lithium) reacting in a fusion powerplant would produce enough energy for the lifetime electricity needs of an average person in an industrialised country. Otrzymywanie trytu

18 18 Wodór atomowy i cząsteczkowy H2 - cząsteczka bardzo trwała (w normalnych warunkach). W wyższych temperaturach i przy zmianach ciśnienia: H 2  2H  H 0 = +436 kJ/mol reakcja endotermiczna  reakcji rozkładu sprzyjają wysokie temperatury: 1000 K  = 0,12 % 3000 K  = 9,0 % 4000 K  = 62 % Wpływ ciśnienia - niskie ciśnienie sprzyja rozkładowi wodoru cząsteczkowego. Wodór aktywny = wodór in statu nascendi (tzn. w chwili powstania) np. redukuje KMnO 4.

19 19 Dwie odmiany wodoru cząsteczkowego ortowodór i parawodór Jądra atomów wodoru zawierają protony, które mają określone spinowe momenty magnetyczne orto - zgodne para – przeciwne W temperaturze 25 0 C wodór składa się z 75 % obj. ortowodoru i w 25 % obj. parawodoru. W miarę oziębiania, zawartość parawodoru (odmiany uboższej w energię) rośnie i w 20 K dochodzi do 99,7%. Odmiany te różnią się m.in. ciepłem właściwym.

20 20 Właściwości fizyczne wodoru Gaz bezbarwny, bez zapachu, bez smaku, słabo rozpuszczalny w wodzie (0,021 obj. w 1 obj. wody). T wrz =20,38 K; T topn =13,95 K Skraplanie wodoru – metoda ekspansyjna (konieczne wstępne schłodzenie wodoru do ok. 200 K ze względu na ujemny w wyższych temperaturach efekt Joula-Thompsona), Dodatkowy problem – egzotermiczna przemiana orto – para (1,41 kJ/mol) powodująca odparowanie ok. 60% skroplonego wodoru. Rozwiązanie: ochłodzenie prawie do temp. skraplania, zastosowanie katalizatora przyspieszającego przemianę orto-para i dopiero po całkowitej przemianie skraplanie wodoru.

21 21 Właściwości fizyczne wodoru Gęstość gazowego wodoru – 0,08988 g/dm 3 Gęstość ciekłego wodoru w temp. wrzenia – 0.07 kg/dm 3 Duża rozpuszczalność w niektórych metalach (gąbka Pd może pochłonąć objętość wodoru 800 razy większą od swojej objętości). W wysokich temperaturach wodór rozpuszcza się w platynie, niklu, żelazie, miedzi).

22 22 Właściwości chemiczne wodoru W temperaturze pokojowej - niezbyt aktywny. Łączy się z fluorem (HF) a podczas naświetlania też z chlorem (HCl). W podwyższonych temperaturach reaguje : - z niemetalami - z metalami tworząc wodorki Reakcja z tlenem : H 2 + 1/2 O 2 = H 2 O  H 0 = -286 kJ/mol - do 450 K brak reakcji  720 K reakcja przebiega z bardzo niską szybkością -> 720 K reakcja przebiega wybuchowo. Mieszanina H 2 : O 2 w stosunku objętościowym 2 : 1 to mieszanina piorunująca.

23 23 Palnik Daniella - temp. do 3000 K

24 24 Wodór jest silnym reduktorem w podwyższonych temperaturach 420 K

25 25 Wodorki - X m H n Wg Paulinga jednakowy udział wiązania jonowego i kowalencyjnego pojawia się przy różnicy elektroujemności ok. 1.7 W miarę jak różnica elektroujemności maleje, wzrasta tendencja do tworzenia się wiązań kowalencyjnych lub wiązań metalicznych Wiązania kowalencyjne powstają gdy elektroujemności pierwiastków przekraczają wartość Poniżej tej wartości powstają wiązania metaliczne. Wg Paulinga jednakowy udział wiązania jonowego i kowalencyjnego pojawia się przy różnicy elektroujemności ok. 1.7 W miarę jak różnica elektroujemności maleje, wzrasta tendencja do tworzenia się wiązań kowalencyjnych lub wiązań metalicznych Wiązania kowalencyjne powstają gdy elektroujemności pierwiastków przekraczają wartość Poniżej tej wartości powstają wiązania metaliczne.

26 26 Wodorki W wodorkach stopień utlenienia wodoru wynosi +1 lub -1. Stopień utlenienia w niektórych wodorkach metali przejściowych nie jest dobrze zdefiniowany. Trzy typy wodorków: - wodorki jonowe (typu soli) - związki wodoru z pierwiastkami elektrododatnimi (st. utlenienia wodoru -1) -wodorki kowalencyjne (związki wodoru z niemetalami) - wodorki metaliczne (związki wodoru z metalami przejściowymi) W wodorkach stopień utlenienia wodoru wynosi +1 lub -1. Stopień utlenienia w niektórych wodorkach metali przejściowych nie jest dobrze zdefiniowany. Trzy typy wodorków: - wodorki jonowe (typu soli) - związki wodoru z pierwiastkami elektrododatnimi (st. utlenienia wodoru -1) -wodorki kowalencyjne (związki wodoru z niemetalami) - wodorki metaliczne (związki wodoru z metalami przejściowymi)

27 27 Wodorki jonowe Wodorki grupy 1A i 2A. -stopione przewodzą prąd elektryczny - w czasie elektrolizy litowiec (berylowiec) wydziela się na katodzie a wodór na anodzie - jon wodorowy H - ma własności zasadowe H - + H 2 O = H 2 + OH - CaH 2 + 2H 2 O = Ca OH - + 2H 2 wodorki sodu, litu, wapnia są silnymi zasadami. LiH i CaH 2 są przenośnymi źródłami wodoru. LiH reaguje z AlCl 3 dając LiAlCl 4 będący użytecznym reduktorem w chemii organicznej. Wodorki grupy 1A i 2A. -stopione przewodzą prąd elektryczny - w czasie elektrolizy litowiec (berylowiec) wydziela się na katodzie a wodór na anodzie - jon wodorowy H - ma własności zasadowe H - + H 2 O = H 2 + OH - CaH 2 + 2H 2 O = Ca OH - + 2H 2 wodorki sodu, litu, wapnia są silnymi zasadami. LiH i CaH 2 są przenośnymi źródłami wodoru. LiH reaguje z AlCl 3 dając LiAlCl 4 będący użytecznym reduktorem w chemii organicznej.

28 28 Wodorki metaliczne Wodorki metaliczne długo uważano za związki o strukturze regularnej z atomami wodoru zajmującymi pozycje międzywęzłowe. Otrzymuje się je w reakcji pomiędzy metalami przejściowymi, lantanowcami i aktynowcami i gazowym wodorem. W podwyższonej temperaturze reakcja jest odwracalna - prowadzi do otrzymania gazowego wodoru i sproszkowanego metalu. Wygląd metaliczny, dobre przewodnictwo elektryczne, zmienny skład. Często mają niestechiometryczny skład, np.: TiH 1.7, TiH 2, PdH 0.65, LaH 1.68, UH 3 Jedno z ważniejszych zastosowań - magazynowanie wodoru Wodorki metaliczne długo uważano za związki o strukturze regularnej z atomami wodoru zajmującymi pozycje międzywęzłowe. Otrzymuje się je w reakcji pomiędzy metalami przejściowymi, lantanowcami i aktynowcami i gazowym wodorem. W podwyższonej temperaturze reakcja jest odwracalna - prowadzi do otrzymania gazowego wodoru i sproszkowanego metalu. Wygląd metaliczny, dobre przewodnictwo elektryczne, zmienny skład. Często mają niestechiometryczny skład, np.: TiH 1.7, TiH 2, PdH 0.65, LaH 1.68, UH 3 Jedno z ważniejszych zastosowań - magazynowanie wodoru

29 29 Odnawialne źródła energii energia słoneczna energia wiatru, wody energia geotermiczna biomasa

30 30 Wykorzystanie bezpośrednie (energia elektryczna, ciepło) Magazynowanie energii (wodór) Zbiorniki ciśnieniowe, ciekły wodór, wodorotlenki metali, nanowłókna węglowe Wykorzystanie bezpośrednie (silniki spalinowe, cieplne) Produkcja energii elektrycznej (ogniwa paliwowe) Energia ze źródeł odnawialnych

31 31 Wodór jako paliwo przyszłości Najbardziej perspektywicznym paliwem jest wodór, który spala się wg reakcji: 2H 2 + O 2 = 2H 2 O  H 0 = -142 MJ/kg Podczas spalania 1kg wodoru wydziela się 142 MJ energii, a powstająca woda, jest w 100 % ekologiczna. Reakcja ta może być realizowana w tzw. ogniwie paliwowym. Dla porównania ze spalenia 1 kg węgla i 1 kg metanu otrzymuje się odpowiednio 33 i 50 MJ energii (przy 100 % wydajności tych reakcji). Jednak nie rozwiązany jest, jak dotychczas, problem magazynowania tego paliwa gazowego. Można to realizować na następujące sposoby: –Sprężanie wodoru  ciśnienie 300 – 700 atm., –Skraplanie wodoru  temperatura – 253 ºC, –Zamiana w wodorki, np. NaAlH4 oraz wodorki Sm i Co, –Absorbenty wodoru, np. nanorurki węglowe.

32 32 Magazynowanie wodoru

33 33 Sposoby magazynowania wodoru zbiorniki ciśnieniowe ciekły wodór nanowłókna węglowe wodorki metali

34 34 Magazynowanie wodoru w postaci gazowej (pod ciśnieniem)

35 35 Magazynowanie wodoru w postaci ciekłej (d=0,07kg/dm 3 )

36 36

37 37

38 38

39 39

40 40 Zasada działania ogniwa energia elektryczna woda CO 2 ? tlen z powietrza paliwo H 2, CH 3 OH OGNIWO PALIWOWE

41 41 Rodzaje ogniw paliwowych

42 42 Ogniwo paliwowe PEM nadmiarowe paliwo woda i ciepło paliwo powietrze H2H2 O2O2 H2OH2O H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ e ee anoda elektrolit katoda 2H 2 = 4H + + 4e4H + + O 2 +4e = 2H 2 O

43 43 Membrana polimerowa z porowatymi elektrodami ścieżka przewodzenia jonów wodorowych ścieżka przewodzenia elektronów ścieżka dostępu gazu do powierzchni katalizatora platyna węgiel membrana polimerowa

44 44 Przekrój zespołu elektroda - membrana warstwa zewnętrzna zespół membrana - elektrody ścieżki dostępu gazu do elektrody elektrody membrana polimerowa

45 45 Pojedyncze ogniwo paliwowe PEM kolektor prądu anodowego kolektor prądu katodowego wlot wodoru powietrze i woda wlot powietrza zewnętrzna warstwa anodowa zewnętrzna warstwa katodowa wylot wodoru ZEM ZEM = zespół elektrody - membrana ee

46 46 Ogniwo paliwowe z polimerową membraną protonowymienną silniki elektryczne w pojazdach badania kosmiczne mobilne generatory elektryczności elektrociepłownie niska temperatura pracy ( °C) wysoka sprawność (80%) brak emisji zanieczyszczeń łatwość łączenia w baterie o mocy od kilku watów do kilkunastu megawatów ZALETYZALETY ZASTOSOWANIAZASTOSOWANIA WADY: WADY: - wysoka cena - wysoka czystość wodoru

47 47 Schemat samochodu z wodorowym ogniwem paliwowym wodór zbiornik wodoru energia chemiczna energia mechaniczna energia elektryczna powietrze z turbokompresora ogniwo paliwowe turbokompresor konwerter trakcyjny silnik elektryczny z przekładnią

48 48 Przykłady zastosowań ogniw paliwowych P-2000 Ford (PEM FC) zerowa emisja Opel Zafira (DM FC) zerowa emisja SO 2, N x O y, 50% CO 2 HydroGen3 (Opel) (PEM FC) - zerowa emisja BMW 745h - silnik o mocy 135 kW zasilany wodorem

49 49

50 50 System energetyczny przyszłości

51 51 Wodorki kowalencyjne Węgiel jest pierwszym pierwiastkiem w okresie 3 wykazującym elektroujemność większa od wodoru. Różnica elektroujemności jest mała i wiązanie ma charakter kowalencyjny. Przesuwając się w prawo w okresie następuje wzrost właściwości kwasowych wodorków kowalencyjnych


Pobierz ppt "1 Wykorzystane materiały –S. Thomas, M. Zalbowitz, Fuel Cells-Green Power, Los Alamos National Laboratory, 1999"

Podobne prezentacje


Reklamy Google