лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы

Химические источники энергии

Лекция 10-11. Твердополимерные топливные элементы

План лекции классификация топливных элементов

водородно-кислородный ТЭ с мембранным электролитом

электрокатализ

ТЭ прямого окисления органических соединений

NB!Козадеров О.А. 20152

Классификация топливных элементов Твердополимерные топливные

элементы электролит – ионообменная мембрана

Твердооксидные топливные элементы электролит – твердотельный оксид

Расплавные карбонатные топливные элементы электролит – расплав карбонатов щелочных

металлов Фосфорнокислотные топливные

элементы электролит – водный раствор фосфорной

кислоты Щелочные топливные элементы

электролит – водный раствор щелочей

Козадеров О.А. 20153

Твердополимерныетопливные элементы

1. Водородно-кислородный ТЭ


Н2,О2 - твердополимерный ТЭпринципиальное устройство


Токообразующая реакция: 2H2 + O2 → 2H2O

Мембранно-электродный блок (МЭБ)


Рабочая температура – 80-100 оС

Твердополимерный электролит


Мембранно-электродный блок (МЭБ)


Электрокатализанодная реакция


H2 → 2H+ + 2e–

Электрокатализкатодная реакция


½O2 + 2H+ + 2e– → H2O

Электрокатализаторы

Pt

Pt, легированнная переходными металлами Fe, Co, Ni, Cr, Co

сплавы платины Pt-Ru, Pt-Rh, Pt-Mo, Pt-Sn, Pt-Ir


Электрокаталитический материал

углеродный носитель (сажа, активированный уголь, графит) со средним частиц 15-50 нм

катализатор в виде мелких высокодисперсных металлических частиц (около 2-6 нм), нанесенных на углеродный носитель


Изготовление электродов


Типичная поляризационная кривая


Проблемы чрезвычайно высокая стоимость

платинового катализатора мембраны

поиск альтернативных дешевых протонпроводящих мембран с приемлемой протонной проводимостью уровня весьма дорогой Nafion®

нерешенные научные проблемы отравление оксидом углерода (II)

поиск анодных электрокатализаторов, толерантных к CO

высокое перенапряжение восстановления кислорода поиск эффективных катодных

электрокатализаторовКозадеров О.А. 201515

Перспективы

транспорт экологически чистые, гибридные автомобили,

грузовики и автобусы

вспомогательные силовые установки устройства, которые могут обеспечить

электропитанием все системы энергопотребления на транспортном средстве, кроме двигателя (например, систему освещения, кондиционирования воздуха и т.п.).


Твердополимерныетопливные элементы

2. ТЭ прямого окисления органических соединений


http://isjaee.hydrogen.ru/pdf/pdf/07-10/Tarasevich_86.pdf

http://isjaee.hydrogen.ru/pdf/pdf/07-10/Tarasevich_86.pdf

Жидкое органическое топливо для ТЭ

спирты метанол этанол

кислоты муравьиная кислота


Органическое топливо в ТЭ

Непрямое окисление Прямое окисление


Топливный элемент прямого окисления метанола(direct methanol fuel cell, DMFC)

Катодная реакция

Анодная реакция

1/2 O2 + 2H+ + 2e– → H2O

CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e–


Принципиальная схема процессов в DMFC


Особенности анодной реакции1. Анодное окисление метанола –

многоэлектронный и многостадийный электрохимический процесс


Особенности анодной реакции

2. При электроокислении метанола образуются промежуточные продукты (интермедиаты), которые являются каталитическими ядами (например, CO)

Pt + CH3OH → PtCOads + 4H+ + 4e–


на сплаве Pt-Ru:Ru + H2O → Ru(OH)ads + H+ + e–

PtCOads + Ru(OH)ads → CO2 + Pt + Ru + H+ + e–

Особенности анодной реакции3. Метанол проникает в мембранный

электролит и перемещается из анодной в катодную камеру (кроссовер метанола)


Модификация протонообменной мебраны

увеличение числа кислотных центров введение молибденфосфорной кислоты,

фосфорвольфрамовой кислоты, кремнийвольфрамовой кислоты

повышение способности мембраны удерживать влагу введение соединений циркония

изменение структуры, пористости полимера введение гидроксиапатита и цеолитаКозадеров О.А. 201526

Щелочной метанольный топливный элемент Твердополимерный электролит –

анионообменная мембрана

Анодный процессСН3ОН + 6ОН- = СО2 + 5Н2О + 6е-


Типичные поляризационные кривые


Применение большинство опытных образцов – это

портативная электроника в сотовых телефонах и ноутбуках используется

гибридная энергоустановка: литий-ионный аккумулятор обеспечивает питание устройства, постоянно подзаряжаясь от встроенного топливного элемента


1. Запишите уравнение токообразующей реакции и уравнение Нернста для топливного элемента:

a. непрямого окисления метанолаb. прямого окисления метанола

- с протонообменной мембраной- с анионообменной мембраной

2. Запишите катодную реакцию в химическом источнике тока, в котором (как и в твердополимерном ТЭ) используется газодиффузионный электрод. Укажите тип этого источника тока.

3. Запишите токообразующую реакцию в химическом источнике тока, в котором (как и в твердополимерном ТЭ) используется мембранный электролит. Укажите тип этого источника тока.

Задания


лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы

Education