лекция 13. классические и нестандартные топливные...
TRANSCRIPT
Химические источники энергии
Лекция 13. Классические и «нестандартные» топливные элементы
План лекции
Классические ТЭ фосфорно-кислотные топливные элементы щелочные топливные элементы
«Нестандартные» ТЭ биологические топливные элементы безмембранные топливные элементы однокамерные и бескамерные твердооксидные
ТЭ твердооксидные ТЭ с жидким Sn-анодом
Козадеров О.А. 20152
Электролит ФКТЭ
жидкая H3PO4
в чистом виде tпл = 42 °С 2H3PO4 = H4P2O7 + H2O (при 213 °C) рабочие температуры 180-200 °C
в форме высококонцентрированного водного раствора растворимость в воде 548 г/100 мл
Козадеров О.А. 20153
Схема устройства ФКТЭ
Козадеров О.А. 20154
Применение стационарные электрохимические
энергоустановки
Козадеров О.А. 20155
Five 200 kW Phosphoric Acid Fuel Cells Installed at the Anchorage Mail Processing Center in Alaska
Применение стационарные электрохимические
энергоустановки
Козадеров О.А. 20156
Преимущества и недостатки ФКТЭ
Преимущества Недостатки
развитая технология
высокая надежность / долгосрочная работа
относительно низкая стоимость электролита
дороговизна Pt-катализатора
чувствительность к отравлению СО и S
электролит является агрессивной жидкостью
Козадеров О.А. 20157
Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)
Alkaline Fuel Cells (AFC)
Козадеров О.А. 20158
Электролит ЩТЭ
водный раствор гидроксида калия концентрация 30-40%
проблема – карбонизация 2OH– + CO2 → CO3
2– + H2O
Козадеров О.А. 20159
Схема устройства ЩТЭ
Козадеров О.А. 201510
Применение ЩТЭ энергопитание космических кораблей
Козадеров О.А. 201511
Щелочной топливный элемент UTC для космического корабля Apollo
Copyright NASA
Преимущества и недостатки ЩТЭ
Преимущества Недостатки
низкая стоимость электролита
возможность использования неплатиновых металлических катализаторов
низкое катодное перенапряжение
необходимо использовать H2 и O2 очень высокой чистоты
щелочной электролит требует периодического пополнения
вода должна удаляться из анодного пространства
Козадеров О.А. 201512
Обзор основных типовтопливных элементов
Диаграмма топливных элементов
Козадеров О.А. 201514
Энергия и применение
Козадеров О.А. 201515
http://www.intechopen.com/books/hydrogen-energy-challenges-and-perspectives/electrode-electrolyte-interphase-characterization-in-solid-oxide-fuel-cells
Козадеров О.А. 201516
Козадеров О.А. 201517
Козадеров О.А. 201518
«Нестандартные» топливные элементы
Биологические топливные элементы устройства, которые используют ферменты
для прямого преобразования химической энергии (содержащейся, например, в форме углеводов) в электрическую энергию
Козадеров О.А. 201520
Видеолекция по БТЭ: http://www.youtube.com/watch?v=a7jMlkbtiyQ
Козадеров О.А. 201521
Shewanella putrefaciens
Козадеров О.А. 201522
C12H22O11 + 13H2O → 12CO2 + 48H+ + 48e–
Устройство БТЭ
Козадеров О.А. 201523
На аноде:C12H22O11 + 13H2O → 12CO2 + 48H+ + 48e–
Безмембранный топливный элемент
Устройство Схема
используется Y-образный микроструйный канал, в котором две струи, содержащие топливо и окислитель, сливаются и текут между покрытыми катализатором электродами, не смешиваясь возникает
ламинарный поток
Козадеров О.А. 201524
Однокамерный твердооксидный ТЭ
Козадеров О.А. 201525
Бескамерный твердооксидный ТЭ
Козадеров О.А. 201526
ТОТЭ с жидким оловянным анодом
Козадеров О.А. 201527
t > 900 °C
ТОТЭ с жидким оловянным анодом
Козадеров О.А. 201528
http://www.netl.doe.gov/file%20library/events/2009/seca/presentations/Bentley_Presentation.pdf
1. Запишите уравнение токообразующей реакции в биотопливном элементе, работающем на ферментном окислении глюкозы.
2. Можно ли использовать платину в качестве электродного материала в однокамерном ТОТЭ? Объясните ответ.
3. Запишите уравнение токообразуюшей реакции в бескамерном ТОТЭ, предполагая, что топливом является угарный газ.
4. Запишите уравнение токообразующей реакции в ТОТЭ с жидким оловянным анодом.
5. Оцените равновесное напряжение щелочного топливного элемента, работающего на чистом водороде и воздухе.
Задания
Козадеров О.А. 201529