лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы
-
Upload
olegkozaderov -
Category
Education
-
view
95 -
download
10
Transcript of лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы
![Page 1: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/1.jpg)
Химические источники энергии
Лекция 10-11. Твердополимерные топливные элементы
![Page 2: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/2.jpg)
План лекции классификация топливных элементов
водородно-кислородный ТЭ с мембранным электролитом
электрокатализ
ТЭ прямого окисления органических соединений
NB!Козадеров О.А. 20152
![Page 3: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/3.jpg)
Классификация топливных элементов Твердополимерные топливные
элементы электролит – ионообменная мембрана
Твердооксидные топливные элементы электролит – твердотельный оксид
Расплавные карбонатные топливные элементы электролит – расплав карбонатов щелочных
металлов Фосфорнокислотные топливные
элементы электролит – водный раствор фосфорной
кислоты Щелочные топливные элементы
электролит – водный раствор щелочей
Козадеров О.А. 20153
![Page 4: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/4.jpg)
Твердополимерныетопливные элементы
1. Водородно-кислородный ТЭ
Козадеров О.А. 20154
![Page 5: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/5.jpg)
Н2,О2 - твердополимерный ТЭпринципиальное устройство
Козадеров О.А. 20155
Токообразующая реакция: 2H2 + O2 → 2H2O
![Page 6: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/6.jpg)
Мембранно-электродный блок (МЭБ)
Козадеров О.А. 20156
Рабочая температура – 80-100 оС
![Page 7: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/7.jpg)
Твердополимерный электролит
Козадеров О.А. 20157
![Page 8: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/8.jpg)
Мембранно-электродный блок (МЭБ)
Козадеров О.А. 20158
![Page 9: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/9.jpg)
Электрокатализанодная реакция
Козадеров О.А. 20159
H2 → 2H+ + 2e–
![Page 10: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/10.jpg)
Электрокатализкатодная реакция
Козадеров О.А. 201510
½O2 + 2H+ + 2e– → H2O
![Page 11: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/11.jpg)
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. 201511
![Page 12: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/12.jpg)
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. 201512
![Page 13: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/13.jpg)
Изготовление электродов
Козадеров О.А. 201513
![Page 14: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/14.jpg)
Типичная поляризационная кривая
Козадеров О.А. 201514
![Page 15: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/15.jpg)
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. 201515
![Page 16: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/16.jpg)
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. 201516
![Page 17: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/17.jpg)
Твердополимерныетопливные элементы
2. ТЭ прямого окисления органических соединений
Козадеров О.А. 201517
http://isjaee.hydrogen.ru/pdf/pdf/07-10/Tarasevich_86.pdf
![Page 18: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/18.jpg)
Жидкое органическое топливо для ТЭ
спирты метанол этанол
кислоты муравьиная кислота
Козадеров О.А. 201518
![Page 19: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/19.jpg)
Органическое топливо в ТЭ
Непрямое окисление Прямое окисление
Козадеров О.А. 201519
![Page 20: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/20.jpg)
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. 201520
![Page 21: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/21.jpg)
Принципиальная схема процессов в DMFC
Козадеров О.А. 201521
![Page 22: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/22.jpg)
Принципиальная схема процессов в DMFC
Козадеров О.А. 201522
![Page 23: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/23.jpg)
Особенности анодной реакции1. Анодное окисление метанола –
многоэлектронный и многостадийный электрохимический процесс
Козадеров О.А. 201523
![Page 24: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/24.jpg)
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. 201524
на сплаве Pt-Ru:Ru + H2O → Ru(OH)ads + H+ + e–
PtCOads + Ru(OH)ads → CO2 + Pt + Ru + H+ + e–
![Page 25: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/25.jpg)
Особенности анодной реакции3. Метанол проникает в мембранный
электролит и перемещается из анодной в катодную камеру (кроссовер метанола)
Козадеров О.А. 201525
![Page 26: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/26.jpg)
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. 201526
![Page 27: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/27.jpg)
Щелочной метанольный топливный элемент Твердополимерный электролит –
анионообменная мембрана
Анодный процессСН3ОН + 6ОН- = СО2 + 5Н2О + 6е-
Козадеров О.А. 201527
![Page 28: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/28.jpg)
Типичные поляризационные кривые
Козадеров О.А. 201528
![Page 29: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/29.jpg)
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. 201529
![Page 30: лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/55b530f2bb61eb71488b4787/html5/thumbnails/30.jpg)
1. Запишите уравнение токообразующей реакции и уравнение Нернста для топливного элемента:
a. непрямого окисления метанолаb. прямого окисления метанола
- с протонообменной мембраной- с анионообменной мембраной
2. Запишите катодную реакцию в химическом источнике тока, в котором (как и в твердополимерном ТЭ) используется газодиффузионный электрод. Укажите тип этого источника тока.
3. Запишите токообразующую реакцию в химическом источнике тока, в котором (как и в твердополимерном ТЭ) используется мембранный электролит. Укажите тип этого источника тока.
Задания
Козадеров О.А. 201530