лекции 8. низкотемпературные топливные элементы

Физикохимия процессов
энергоконверсии
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

 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

 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

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

Твердополимерные
топливные элементы
1. Водородно-кислородный ТЭ

Н2,О2 - твердополимерный ТЭ
принципиальное устройство
Токообразующая реакция: 2H2 + O2 → 2H2O

Мембранно-электродный блок (МЭБ)
Рабочая температура – 80-100 оС

Твердополимерный электролит

Мембранно-электродный блок (МЭБ)

Электрокатализ
анодная реакция
H2 → 2H+ + 2e–

Электрокатализ
катодная 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 электрокатализаторов

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.).

Твердополимерные
топливные элементы
2. ТЭ прямого окисления органических соединений
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 реакции
1. Анодное окисление метанола – многоэлектронный и
многостадийный электрохимический процесс

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–

3. 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 цеолита

Щелочной метанольный топливный элемент
 Твердополимерный электролит – анионообменная
мембрана
 Анодный процесс
СН3ОН + 6ОН- = СО2 + 5Н2О + 6е-

Типичные поляризационные кривые

 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

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

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

лекции 8. низкотемпературные топливные элементы

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to лекции 8. низкотемпературные топливные элементы

Similar to лекции 8. низкотемпературные топливные элементы (18)

лекции 8. низкотемпературные топливные элементы