лекции 10-11. твердополимерные топливные элементы

Химические источники энергии

Лекция 10-11. Твердополимерные топливные элементы

План лекции классификация топливных элементов

водородно-кислородный ТЭ с мембранным электролитом

электрокатализ

ТЭ прямого окисления органических соединений

NB!Козадеров О.А. 20152

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

Твердополимерныетопливные элементы

1. Водородно-кислородный ТЭ

Козадеров О.А. 20154

Н2,О2 - твердополимерный ТЭпринципиальное устройство

Козадеров О.А. 20155

Токообразующая реакция: 2H2 + O2 → 2H2O

Мембранно-электродный блок (МЭБ)

Козадеров О.А. 20156

Рабочая температура – 80-100 оС

Твердополимерный электролит

Козадеров О.А. 20157

Мембранно-электродный блок (МЭБ)

Козадеров О.А. 20158

Электрокатализанодная реакция

Козадеров О.А. 20159

H2 → 2H+ + 2e–

Электрокатализкатодная реакция

Козадеров О.А. 201510

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. 201511

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

Изготовление электродов

Козадеров О.А. 201513

Типичная поляризационная кривая

Козадеров О.А. 201514

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

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

Твердополимерныетопливные элементы

2. ТЭ прямого окисления органических соединений

Козадеров О.А. 201517

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. 201518

Органическое топливо в ТЭ

Непрямое окисление Прямое окисление

Козадеров О.А. 201519

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

Принципиальная схема процессов в DMFC

Козадеров О.А. 201521

Принципиальная схема процессов в DMFC

Козадеров О.А. 201522

Особенности анодной реакции1. Анодное окисление метанола –

многоэлектронный и многостадийный электрохимический процесс

Козадеров О.А. 201523

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–

Особенности анодной реакции3. Метанол проникает в мембранный

электролит и перемещается из анодной в катодную камеру (кроссовер метанола)

Козадеров О.А. 201525

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

Щелочной метанольный топливный элемент Твердополимерный электролит –

анионообменная мембрана

Анодный процессСН3ОН + 6ОН- = СО2 + 5Н2О + 6е-

Козадеров О.А. 201527

Типичные поляризационные кривые

Козадеров О.А. 201528

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

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