Тема 6. Низкотемпературные топливные элементы для

Тема 6. Низкотемпературные топливные элементы для мобильных систем (2
часа)
Твердополимерные топливные элементы
Кислородно-водородные твердополимерные топливные элементы
Анод – композиционные материалы на основе платины и углерода. Катод –
композиционные материалы на основе платины (или ее сплавов) и углерода.
Электролит – протонпроводящая полимерная мембрана.
Суммарная токообразующая реакция
H2 + 1/2(O2) → H2O
Рабочая температура – 80 оС.
Рассмотрим принципиальную схему топливного элемента и принцип его
работы на примере твердополимерного топливного элемента.
Единичной ячейкой ТПТЭ является мембранно-электродный блок (МЭБ) рис.
5.1б расположенной между двумя биполярными пластинами. МЭБ включает в себя
только один катод и один анод. Каждый из электродов представляет собой
каталитический
слой,
нанесенный
на
углеродную
бумагу
или
ткань
(газодиффузионный слой). Оба электрода контактируют с твердым полимерным
электролитом, представляющим собой перфторированную ионную мембрану
Nafion, разработанную компанией DuPont в 1960х годах.
Рисунок 5.1. Схема твердополимерного топливного элемента
Рассмотрим основные процессы, протекающие на электродах водороднокислородного ТЭ
На аноде ТПТЭ протекает реакция электроокисления водорода согласно
следующего уравнения:
H2 - 2e-→ 2H+
Необходимо отметить важную роль трехфазной границы в каталитическом
слое: платина-углерод-нафион рис. 5.1в. Отсутствие хотя бы одной из составляющей
останавливает процесс окисления водорода.
На катоде протекает процесс восстановления кислорода:
О2 + 4e- → 2О2Положительно заряженные протоны проходят через протонпроводящую
мембрану к катоду, а электроны доставляются к катоду по внешней цепи, создавая
тем самым электрический ток. Образовавшиеся на катоде кислородные ионы
объединяются с протонами, образуя воду:
О2- + 2H+ → Н2О
ЭДС водородно-кислородного ТЭ при стандартных условиях составляет
1,23В. Однако на практике это значение составляет 0,6 – 0,7 В, что вызвано рядом
причин: кроссовер водорода, возникновение смешанного потенциала, отравление
катализатора, пересыхание каталитического слоя, деградация мембраны.
Таким образом, ЭДС топливного элемента и его производительность зависят
от всех элементов системы: катализатора, мембраны, газодиффузионного слоя, а
также от температуры и соответствующего водного баланса в системе.
Достоинства – низкая стоимость электролита, отсутствует необходимость
использования Pt в качестве катализатора катода.
Недостатки - дороговизна основных компонентов, трудность отвода тепла,
склонность катализатора к отравлению.
Применяются в качестве источников питания портативной электроники, в
автомобильном, стационарном электропитании.
Твердополимерные топливные элементы с прямым окислением метанола
Анод – композиционные материалы на основе платины и углерода. Катод –
композиционные материалы на основе платины (или ее сплавов) и углерода.
Электролит – протонпроводящая полимерная мембрана.
Суммарная токообразующая реакция
CH3OH + 3/2(O2) → CO2 + 2H2O
Рабочая температура – 60-80 оС.
Достоинства – применение метанола не предполагает использование
вспомогательных систем, таких как увлажнители, установки для рециркуляции
хладагента. Хранение метанола более компактное и безопасное, чем хранение
водорода.
Недостатки - необходима большая загрузка Pt катализатора, так как
электрический КПД метанольного ТЭ ниже, чем у водородного; отравление
катализатора продуктами прочной хемосорбции органического топлива, в частности
монооксида углерода.
Применяются в качестве источников питания портативной электроники, в
автомобильном, стационарном электропитании.
Прямые метаноловые топливные элементы (ПМТЭ) являются относительно
новыми членами семейства топливных элементов. Эти элементы похожи на ПОМэлементы в том, что и в тех, и в других в качестве электролита используется
полимерная мембрана. Однако в ПМТЭ анодный катализатор сам извлекает водород
из жидкого метанола, при этом отпадает необходимость в топливном реформаторе.
Ожидается, что КПД этого топливного элемента составит 40% и они будут, как
правило, работать при температурах от 120 до 190 oF. При более высоких
температурах КПД будет выше.
. Рекомендации IEER заключаются в том, чтобы местные и федеральные
власти, а также власти штатов часть своих закупочных бюджетов по транспортному
хозяйству направляли на транспортные средства на топливных элементах, а также
на стационарные системы на топливных элементах для обеспечения теплом и
электричеством некоторых из своих существенных или новых зданий. Это будет
способствовать развитию жизненно важной технологии и снижению выбросов
парниковых газов. Основные производители автомобилей в Америке сейчас
разрабатывают гибридные электрические транспортные средства. Некоторые
компании совместно работают над прототипом машины, в которой для приведения в
действие электродвигателя автомобиля использовалась бы энергия, вырабатываемая
топливными элементами. Особенность разработки Hitachi – миниатюрные размеры
– делает новинку пригодной для питания мобильной техники. По утверждению
компании, топливный элемент помещается в нагрудном кармане. В состав DMFC
входит четыре генерирующих блока. Складной корпус обеспечивает в процессе
работы доступ воздуха к поверхности блоков. Сменному картриджу с топливом на
этот раз конструкторы предпочли схему, в которой метанол заливается прямо в
корпус элемента. По утверждению компании, на одной «заправке» элемент
вырабатывает около 3 Вт ч энергии. Напомним, по мнению экспертов, технология
прямого преобразования метанола имеет шансы оказаться одной из первых среди
развиваемых сейчас технологий топливных элементов, которые выйдут на массовый
рынок. В топливных элементах источником энергии является водород, метанол или
этиловый спирт, которые окисляются кислородом при участии платинового
катализатора. При этом выделяется достаточное количество экологически чистой
энергии. Вопрос перевода мобильных устройств на топливные элементы вместо
традиционных литий-ионных аккумуляторов представляет собой проблему поставок
и производства, а не технологии.
Щелочные топливные элементы
Анод – композиционные материалы на основе платины и углерода. Катод –
порошкообразный никель. Электролит - водный раствор КОН.
Суммарная токообразующая реакция
H2 + 1/2(O2) → H2O
Рабочая температура – 60-220оС.
Достоинства – низкая стоимость электролита, отсутствует необходимость
использования Pt в качестве катализатора катода.
Недостатки - возможно использование только чистых H2 и О2, электролит
может вызывать коррозию.
Применялись в качестве дополнительного источника питания в космической
промышленности.
Щелочные элементы: Уже давно используемые НАСА в космических полетах,
эти топливные элементы работают с КПД до 70%. В качестве электролита в них
используется щелочной гидрооксид калия. До недавнего времени они были
слишком дорогими для коммерческого использования, но несколько компаний
взялись за изучение проблемы снижения стоимости и повышения гибкости
эксплуатационных характеристик.
Вопросы для самоконтроля
1.
Какие ТЭ относят с низкотемпературным?
2.
Из
каких
основных
элементов
твердополимерные топливные элементы?
3.
Что является топливом в ТПТЭ?
состоят
кислородно-водородные
4.
Какой окислитель используется в ТПТЭ?
5.
Какие требования предъявляются к анодным и катодным катализаторам
ТПТЭ?
6.
Какие требования предъявляются мембранам ТПТЭ?
7.
Какова максимальная удельная мощность ТПТЭ?
8.
Могут ли углеродсодержащие материалы использоваться в качестве
топлива для ТЭ?
9.
Основные проблемы метанольных ТЭ?
10.
Для каких целей используются низкотемпературные ТЭ?
11.
Основные элементы, катализаторы и электролит, используемые в
щелочных ТЭ?
12.
Ограничения использования щелочных ТЭ?