Современные химические источники тока

Лекция 8. Низкотемпературные топливные элементы

Диаграмма топливных элементов

Козадеров О.А. 20152

Энергия и применение

Козадеров О.А. 20153

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

Козадеров О.А. 20154

Козадеров О.А. 20155

Козадеров О.А. 20156

Классические ТЭ фосфорно-кислотные топливные элементы щелочные топливные элементы

Козадеров О.А. 20157

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. 20158

Схема устройства ФКТЭ

Козадеров О.А. 20159

Применение стационарные электрохимические

энергоустановки

Козадеров О.А. 201510

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

Применение стационарные электрохимические

энергоустановки

Козадеров О.А. 201511

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. 201512

Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)

Alkaline Fuel Cells (AFC)

Козадеров О.А. 201513

Электролит ЩТЭ

водный раствор гидроксида калия концентрация 30-40%

проблема – карбонизация 2OH– + CO2 → CO3

2– + H2O

Козадеров О.А. 201514

Схема устройства ЩТЭ

Козадеров О.А. 201515

Применение ЩТЭ энергопитание космических кораблей

Козадеров О.А. 201516

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. 201517

Твердополимерныетопливные элементы

1. Водородно-кислородный ТЭ

Козадеров О.А. 201518

Н2,О2 - твердополимерный ТЭпринципиальное устройство

Козадеров О.А. 201519

Токообразующая реакция: 2H2 + O2 → 2H2O

Мембранно-электродный блок (МЭБ)

Козадеров О.А. 201520

Рабочая температура – 80-100 оС

Твердополимерный электролит

Козадеров О.А. 201521

Мембранно-электродный блок (МЭБ)

Козадеров О.А. 201522

Электрокатализанодная реакция

Козадеров О.А. 201523

H2 → 2H+ + 2e–

Электрокатализкатодная реакция

Козадеров О.А. 201524

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

Козадеров О.А. 201525

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

Козадеров О.А. 201526

Изготовление электродов

Козадеров О.А. 201527

Типичная поляризационная кривая

Козадеров О.А. 201528

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.).

Козадеров О.А. 201530

Твердополимерныетопливные элементы

2. ТЭ прямого окисления органических соединений

Козадеров О.А. 201531

http://isjaee.hydrogen.ru/pdf/pdf/07-10/Tarasevich_86.pdf

Жидкое органическое топливо для ТЭ

спирты метанол этанол

кислоты муравьиная кислота

Козадеров О.А. 201532

Органическое топливо в ТЭ

Непрямое окисление Прямое окисление

Козадеров О.А. 201533

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–

Козадеров О.А. 201534

Принципиальная схема процессов в DMFC

Козадеров О.А. 201535

Принципиальная схема процессов в DMFC

Козадеров О.А. 201536

Особенности анодной реакции1. Анодное окисление метанола –

многоэлектронный и многостадийный электрохимический процесс

Козадеров О.А. 201537

Особенности анодной реакции

2. При электроокислении метанола образуются промежуточные продукты (интермедиаты), которые являются каталитическими ядами (например, CO)

Pt + CH3OH → PtCOads + 4H+ + 4e–

Козадеров О.А. 201538

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)

Козадеров О.А. 201539

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-

Козадеров О.А. 201541

Типичные поляризационные кривые

Козадеров О.А. 201542

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

Козадеров О.А. 201543

Биологические топливные элементы устройства, которые используют ферменты

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

Козадеров О.А. 201544

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

Козадеров О.А. 201545

Shewanella putrefaciens

Козадеров О.А. 201546

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

Устройство БТЭ

Козадеров О.А. 201547

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