Мембранное материаловедение проф. д. х. н. Ямпольский

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-н ой Метаноль- ные с Н+ мембра-но й ТЭ на H 3 PO 4 ТЭ на распла-в ах карбона- тов ТЭ на твердых окислах Прило-же ния Космос, транспорт, автономные системы Стационарные установки, комбинированное получение электроэнергии и тепла Рабочие Т <100 o 60 -120 o ( 2 0 0 o ? ) 160 -220 o 600 -700 o 800 -1000 o Мощ-ност ь, к. Вт 5 -150 т 5 -250 5 50 -1100 0 100 -2000 100 -250 КПД, % До 70 50 50 50 -70 До

Щелочные топливные элементы Электролит КОН (стаб. на матрице или циркулирующий) Реагенты Н 2 , О 2 Ион-переносчик ОН — Электроды Катод: Ni ( добавки Pt? ) Анод: Pt/C, Pt-Co/C, Pt-Pd/C Анодная реакция H 2 + 2 OH- 2 H 2 O + 2 e- Катодная реакция 1/2 O 2 + H 2 O + 2 e — 2 OH — Проблемы Образование карбонатов: С + О 2 CO 2 + 2 OH — CO 3 2 — + H 2 O

Водородные ТЭ с Н + проводящей мембраной Электролит Ионообменная мембрана (поликислота) Реагенты Н 2 , воздух (О 2 ) Ион-переносчик Н + Электроды Катод: Pt/C Анод: Pt/C, Pt-Ru/C Анодная реакция H 2 2 H + + 2 e — Катодная реакция 1/2 O 2 + 2 H + + 2 e — H 2 O Проблемы Отравление анодной Pt CO Гидратация-дегидратация Кроссовер (Н 2 + О 2 )

Метанольные ТЭ с Н+ проводящей мембраной Электролит Ионообменная мембрана (поликислота) Реагенты CH 3 OH , воздух (О 2 ) Ион-переносчик Н + Электроды Катод: Pt/C Анод: Pt-Ru/C ( Os, Rh…) Анодная реакция CH 3 OH + H 2 O CO 2 + 6 H + + 6 e — Катодная реакция 3/2 O 2 + 6 H + + 6 e — 3 H 2 O Проблемы Гидратация-дегидратация Кроссовер ( Me. OH)

ТЭ на фосфорной кислоте Электролит H 3 PO 4 ( на тв. носителе – Si. C и др. ) Реагенты Н 2 , воздух (О 2 ) Ион-переносчик Н + Электроды Катод: Pt/C, Pt-WO 3 /C Анод: Pt/C, Pt-Ru/C Анодная реакция H 2 2 H + + 2 e — Катодная реакция 1/2 O 2 + 2 H + + 2 e — H 2 O Проблемы Кроссовер (Н 2 + О 2 ) Отравление СО не так страшно (при 200 о С)

ТЭ на расплавах карбонатов Электролит Li. KCO 3 , Li. Na. CO 3 на матрице Li. Al. O 2 + Al 2 O 3 Реагенты CH 4 , синтез-газ ( H 2 , CO 2 ), O 2 Ион-переносчик CO 3 2 — Электроды Катод: Ni. O, Li. Fe. O 2 и др. Анод: Ni-Al, Ni-Cr Анодная реакция H 2 + CO 3 2 — H 2 O + CO 2 + 2 e — Катодная реакция 1/2 O 2 + CO 2 + 2 e- CO 3 2 — Проблемы Попадание частиц Ni. O в электролит; материаловедение, работа с горючими газами при высоких Т

ТЭ на твердых оксидах Электролит Zr. O 2 , Ce. O 2 , Y 2 O 3 Реагенты CH 4 , синтез-газ ( H 2 , CO 2 ), O 2 или воздух Ион-переносчик О 2 2 — Электроды Катод: La. Sr. Mn. O 3, лантанидные перовскиты и др. Анод: Ni (+Ni. O) и др. Анодная реакция 2 Н 2 + O 2 2 — 2 H 2 O + 2 e — Катодная реакция O 2 + 2 e — O 2 2 — Проблемы Материаловедение (уплотнения, газо-распределение и т. д. ) Долгосрочная стабильность материалов

Требования к мембранам • Низкая стоимость ( 120 -150 o C, > 10 000 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

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 ( <100 o C); возможное влияние на мех. стабильность • Увлажнение: роль кроссовера; “ заливание ” пор в электроде.

Стратегия получения Н

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

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

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

Фотохимическая генерация Н

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