лекция 8. низкотемпературные топливные элементы

Современные химические источники тока

Лекция 8. Низкотемпературные топливные элементы

Диаграмма топливных элементов

Козадеров О.А. 20152

Энергия и применение


http://www.intechopen.com/books/hydrogen-energy-challenges-and-perspectives/electrode-electrolyte-interphase-characterization-in-solid-oxide-fuel-cells

http://www.intechopen.com/books/hydrogen-energy-challenges-and-perspectives/electrode-electrolyte-interphase-characterization-in-solid-oxide-fuel-cells

http://www.intechopen.com/source/html/40234/media/image1_w.jpg

Классические ТЭ фосфорно-кислотные топливные элементы щелочные топливные элементы


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


Схема устройства ФКТЭ


Применение стационарные электрохимические

энергоустановки


Five 200 kW Phosphoric Acid Fuel Cells Installed at the Anchorage Mail Processing Center in Alaska

Применение стационарные электрохимические

энергоустановки


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


Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)

Alkaline Fuel Cells (AFC)


Электролит ЩТЭ

водный раствор гидроксида калия концентрация 30-40%

проблема – карбонизация 2OH– + CO2 → CO3

2– + H2O


Схема устройства ЩТЭ


Применение ЩТЭ энергопитание космических кораблей


Щелочной топливный элемент UTC для космического корабля Apollo

Copyright NASA

http://www.rickety.us/wp-content/uploads/2010/04/Johnson_Space_Center_16.jpg

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


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. 201529

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. 201540

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


Биологические топливные элементы устройства, которые используют ферменты

для прямого преобразования химической энергии (содержащейся, например, в форме углеводов) в электрическую энергию


Видеолекция по БТЭ: http://www.youtube.com/watch?v=a7jMlkbtiyQ

http://www.youtube.com/watch?v=a7jMlkbtiyQ

Shewanella putrefaciens


C12H22O11 + 13H2O → 12CO2 + 48H+ + 48e–

Устройство БТЭ


На аноде:C12H22O11 + 13H2O → 12CO2 + 48H+ + 48e–

лекция 8. низкотемпературные топливные элементы

Education