Upload
olegkozaderov
View
95
Download
10
Embed Size (px)
Citation preview
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