Химические источники энергии

Лекция 13. Классические и «нестандартные» топливные элементы

План лекции

Классические ТЭ фосфорно-кислотные топливные элементы щелочные топливные элементы

«Нестандартные» ТЭ биологические топливные элементы безмембранные топливные элементы однокамерные и бескамерные твердооксидные

ТЭ твердооксидные ТЭ с жидким Sn-анодом

Козадеров О.А. 20152

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

Схема устройства ФКТЭ

Козадеров О.А. 20154

Применение стационарные электрохимические

энергоустановки

Козадеров О.А. 20155

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

Применение стационарные электрохимические

энергоустановки

Козадеров О.А. 20156

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

Щелочные топливные элементы (ЩТЭ)

Alkaline Fuel Cells (AFC)

Козадеров О.А. 20158

Электролит ЩТЭ

водный раствор гидроксида калия концентрация 30-40%

проблема – карбонизация 2OH– + CO2 → CO3

2– + H2O

Козадеров О.А. 20159

Схема устройства ЩТЭ

Козадеров О.А. 201510

Применение ЩТЭ энергопитание космических кораблей

Козадеров О.А. 201511

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. 201512

Обзор основных типовтопливных элементов

Диаграмма топливных элементов

Козадеров О.А. 201514

Энергия и применение

Козадеров О.А. 201515

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

Козадеров О.А. 201516

Козадеров О.А. 201517

Козадеров О.А. 201518

«Нестандартные» топливные элементы

Биологические топливные элементы устройства, которые используют ферменты

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

Козадеров О.А. 201520

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

Козадеров О.А. 201521

Shewanella putrefaciens

Козадеров О.А. 201522

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

Устройство БТЭ

Козадеров О.А. 201523

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

Безмембранный топливный элемент

Устройство Схема

используется Y-образный микроструйный канал, в котором две струи, содержащие топливо и окислитель, сливаются и текут между покрытыми катализатором электродами, не смешиваясь возникает

ламинарный поток

Козадеров О.А. 201524

Однокамерный твердооксидный ТЭ

Козадеров О.А. 201525

Бескамерный твердооксидный ТЭ

Козадеров О.А. 201526

ТОТЭ с жидким оловянным анодом

Козадеров О.А. 201527

t > 900 °C

ТОТЭ с жидким оловянным анодом

Козадеров О.А. 201528

http://www.netl.doe.gov/file%20library/events/2009/seca/presentations/Bentley_Presentation.pdf

1. Запишите уравнение токообразующей реакции в биотопливном элементе, работающем на ферментном окислении глюкозы.

2. Можно ли использовать платину в качестве электродного материала в однокамерном ТОТЭ? Объясните ответ.

3. Запишите уравнение токообразуюшей реакции в бескамерном ТОТЭ, предполагая, что топливом является угарный газ.

4. Запишите уравнение токообразующей реакции в ТОТЭ с жидким оловянным анодом.

5. Оцените равновесное напряжение щелочного топливного элемента, работающего на чистом водороде и воздухе.

Задания

Козадеров О.А. 201529