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

Щелочные топливные элементы

Водородные ТЭ с Н+ проводящей мембраной

Метанольные ТЭ с Н+ проводящей мембраной

ТЭ на фосфорной кислоте

ТЭ на расплавах карбонатов

ТЭ на твердых оксидах

Требования к мембранам
Низкая стоимость (<10$/кВт)
Высокая протонная проводимость
Хорошие барьерные свойства (Н2,О2, МеОН)
Термическая и химическая стабильность: >120-150oC, >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

Структура каталитического слоя

Водные проблемы
(water management)
Состояние воды в мембране:
сольватация –SO3H групп
сольватация Н+
«объемная» воды
Дегидратация:
“асимметрия” образования воды;
температурный режим (<100oC);
возможное влияние на мех. стабильность
Увлажнение:
роль кроссовера;
“заливание” пор в электроде.

Стратегия получения Н2

Методы получения водорода
(ископаемые топлива)
Паровая конверсия природного газа:
CH4 + H2O  CO + 3H2
CO + H2O = CO2 + H2
Каталитический риформинг
C6H14  C6H6 + 4H2
Пиролиз
CnHm  C2H4 + H2

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

Термохимический цикл в Не ядерном реакторе
Источник энергии – Не (1000оС)
2H2О + SO2 + J2  H2SO4 + 2HJ (при 900о)
2HJ  J2 + H2 (при 450оС)
H2SO4 + SO2 + H2O + 1/2O2 (при 850oC)

Фотохимическая генерация Н2

Методы очистки водорода
Мембраны:
Pd
полимерные мембраны
Химические:
дожигание: СО + 1/2O2  CO2
реакция водяного пара: CO + H2O = CO2 + H2
метанирование: СO + 3H2  CH4 + H2O
Адсорбционные

Хранение водорода
Газовые баллоны (0,5 кг Н2)
Жидкий водород (-253оС, теплопотери)
Гидрирды металлов, нано-трубки и т.п.
Химические источники Н2:
СН3ОН, СН4, НС, биомасса.

Весовая и объемная удельная плотность энергии