Документ посвящен электрохимическим топливным элементам, включая классические (фосфорно-кислотные и щелочные) и биологические типы. Описаны их устройства, рабочие характеристики, преимущества и недостатки, а также применения в различных сферах, включая стационарные энергоустановки и космические технологии. Рассматриваются электролиты и их влияние на работу топливных элементов.

1. Электрохимическая энергетика
Лекция 9. Классические и нестандартные топливные элементы

2.  Классические ТЭ
 фосфорно-кислотные топливные элементы
 щелочные топливные элементы
Козадеров О.А. 20152

3. 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

4. Схема устройства ФКТЭ
Козадеров О.А. 20154

5. Применение
 стационарные электрохимические энергоустановки
Козадеров О.А. 20155
Five 200 kW Phosphoric Acid Fuel Cells Installed at the Anchorage Mail Processing Center in Alaska

6. Применение
 стационарные электрохимические энергоустановки
Козадеров О.А. 20156

7. 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

8. Щелочные топливные элементы
(ЩТЭ)
Alkaline Fuel Cells (AFC)
Козадеров О.А. 20158

9. Электролит ЩТЭ
 водный раствор гидроксида калия
 концентрация 30-40%
 проблема – карбонизация
 2OH– + CO2 → CO3
2– + H2O
Козадеров О.А. 20159

10. Схема устройства ЩТЭ
Козадеров О.А. 201510

11. Применение ЩТЭ
 энергопитание космических кораблей
Козадеров О.А. 201511
Щелочной топливный элемент UTC
для космического корабля Apollo
Copyright NASA

12. 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

13. Биологические топливные элементы
 устройства, которые используют ферменты для
прямого преобразования химической энергии
(содержащейся, например, в форме углеводов) в
электрическую энергию
Козадеров О.А. 201513
Видеолекция по БТЭ: http://www.youtube.com/watch?v=a7jMlkbtiyQ

14. Козадеров О.А. 201514

15. Shewanella putrefaciens
Козадеров О.А. 201515
C12H22O11 + 13H2O → 12CO2 + 48H+ + 48e–

16. Устройство БТЭ
Козадеров О.А. 201516
На аноде:
C12H22O11 + 13H2O → 12CO2 + 48H+ + 48e–

17. Однокамерный твердооксидный ТЭ
Козадеров О.А. 201517

18. Бескамерный твердооксидный ТЭ
Козадеров О.А. 201518

19. ТОТЭ с жидким оловянным анодом
Козадеров О.А. 201519
t > 900 °C

20. ТОТЭ с жидким оловянным анодом
Козадеров О.А. 201520
http://www.netl.doe.gov/file%20library/events/2009/seca/presentations/Bentley_Presentation.pdf