лекция 6. твердополимерные топливные элементы

Электрохимическая энергетика
Лекция 6. Твердополимерные 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

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

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

лекция 6. твердополимерные топливные элементы

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to лекция 6. твердополимерные топливные элементы

Similar to лекция 6. твердополимерные топливные элементы (16)

лекция 6. твердополимерные топливные элементы