Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН

8 ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

СХЕМА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Топливные элементы – междисциплинарная проблема Электрохимия Мембранный транспорт Катализ Материаловедение Инжениринг и проблемы энергетики

КПД различных машин

Причины высоких КПД в ТЭ

Различные типы топливных элементов Щелоч- ные Водород- ные с Н+ мембра- ной Метаноль- ные с Н+ мембра- ной ТЭ на H3PO4 ТЭ на распла- вах карбона- тов ТЭ на твердых окислах Прило- жения Космос, транспорт, автономные системы Стационарные установки, комбинированное получение электроэнергии и тепла Рабочие Т

Щелочные топливные элементы ЭлектролитКОН (стаб. на матрице или циркулирующий) РеагентыН 2, О 2 Ион-переносчикОН - ЭлектродыКатод: Ni ( добавки Pt?) Анод:Pt/C, Pt-Co/C, Pt-Pd/C Анодная реакция H 2 + 2OH- 2H 2 O + 2e- Катодная реакция 1/2O 2 + H 2 O + 2e - 2OH - ПроблемыОбразование карбонатов: С + О 2 CO 2 CO 2 + 2OH - CO H 2 O

Водородные ТЭ с Н + проводящей мембраной ЭлектролитИонообменная мембрана (поликислота) РеагентыН 2, воздух (О 2 ) Ион-переносчикН+Н+ ЭлектродыКатод: Pt/C Анод: Pt/C, Pt-Ru/C Анодная реакция H 2 2H + + 2e - Катодная реакция 1/2O 2 + 2H + + 2e - H 2 O ПроблемыОтравление анодной Pt CO Гидратация-дегидратация Кроссовер (Н 2 + О 2 )

Метанольные ТЭ с Н+ проводящей мембраной ЭлектролитИонообменная мембрана (поликислота) РеагентыCH 3 OH, воздух (О 2 ) Ион-переносчикН+Н+ ЭлектродыКатод: Pt/C Анод: Pt-Ru/C (Os,Rh…) Анодная реакция CH 3 OH + H 2 O CO 2 + 6H + + 6e - Катодная реакция 3/2O 2 + 6H + + 6e - 3H 2 O ПроблемыГидратация-дегидратация Кроссовер (MeOH)

ТЭ на фосфорной кислоте ЭлектролитH 3 PO 4 (на тв. носителе – SiC и др.) РеагентыН 2, воздух (О 2 ) Ион-переносчикН+Н+ ЭлектродыКатод: Pt/C, Pt-WO 3 /C Анод: Pt/C, Pt-Ru/C Анодная реакция H 2 2H + + 2e - Катодная реакция 1/2O 2 + 2H + + 2e - H 2 O ПроблемыКроссовер (Н 2 + О 2 ) Отравление СО не так страшно (при 200 о С)

ТЭ на расплавах карбонатов ЭлектролитLiKCO 3, LiNaCO 3 на матрице LiAlO 2 + Al 2 O 3 РеагентыCH 4, синтез-газ (H 2, CO, CO 2 ), O 2 Ион-переносчикCO 3 2- ЭлектродыКатод: NiO, LiFeO 2 и др. Анод: Ni-Al, Ni-Cr Анодная реакция H2 + CO 3 2- H 2 O + CO 2 + 2e - Катодная реакция 1/2O 2 + CO 2 + 2e- CO 3 2- ПроблемыПопадание частиц NiO в электролит; материаловедение, работа с горючими газами при высоких Т

ТЭ на твердых оксидах Электролит ZrO 2, CeO 2, Y 2 O 3 РеагентыCH 4, синтез-газ (H 2, CO, CO 2 ), O 2 или воздух Ион-переносчик О 2 2- Электроды Катод: LaSrMnO3, лантанидные перовскиты и др. Анод: Ni (+NiO) и др. Анодная реакция 2Н 2 + O H 2 O + 2e - Катодная реакция O 2 + 2e - O 2 2- Проблемы Материаловедение (уплотнения, газо- распределение и т.д.) Долгосрочная стабильность материалов

Требования к мембранам Низкая стоимость ( o C, >10000 час Механическая стабильность Электроизолирующие свойства

Мембраны Nafion (a) и Dow (b)

Мембрана сулфонилимида (более проводящая чем Nafion)

Мембрана Asahi Chemical

Другие сульфированные мембранные материалы

Материалы с остатками фосфорной кислоты

Полибензимидазол – высокотемпературная мембрана

Полимерная цепь Nafion

Нано-структура Нафиона

Влияние влажности на проводимость Нафиона

Структура каталитического слоя

Водные проблемы (water management) Состояние воды в мембране: сольватация –SO 3 H групп сольватация Н + «объемная» воды Дегидратация: асимметрия образования воды; температурный режим (

Стратегия получения Н 2

Методы получения водорода (ископаемые топлива) Паровая конверсия природного газа: CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 CO + H 2 O = CO 2 + H 2 Каталитический риформинг C 6 H 14 C 6 H 6 + 4H 2 Пиролиз C n H m C 2 H 4 + H 2

Альтернативные методы получения водорода Электролиз Фотолиз воды Высокотемпературные ядерные (Не) реактора

Термохимический цикл в Не ядерном реакторе Источник энергии – Не ( 1000 о С) 2H 2 О + SO 2 + J 2 H 2 SO 4 + 2HJ (при 900 о ) 2HJ J 2 + H 2 (при 450 о С) H 2 SO 4 + SO 2 + H 2 O + 1/2O 2 (при 850 o C)

Фотохимическая генерация Н 2

Методы очистки водорода Мембраны: Pd полимерные мембраны Химические: дожигание: СО + 1/2O 2 CO 2 реакция водяного пара: CO + H 2 O = CO 2 + H 2 метанирование: СO + 3H 2 CH 4 + H 2 O Адсорбционные

Хранение водорода Газовые баллоны (0,5 кг Н 2 ) Жидкий водород (-253 о С, теплопотери) Гидрирды металлов, нано-трубки и т.п. Химические источники Н 2 : СН 3 ОН, СН 4, НС, биомасса.

Весовая и объемная удельная плотность энергии

ТЭ – будущие основные источники энергии