Щелочной топливный элемент

редактировать

Схема щелочного топливного элемента:. 1. Водород. 2. Электронный поток. 3. Загрузить. 4. Кислород. 5. Катод. 6. Электролит. 7. Анод. 8. Вода. 9. Ионы гидроксида

щелочной топливный элемент (AFC), также известный как топливный элемент Бэкона в честь его британского изобретателя Фрэнсиса Томаса Бэкона, является одним из наиболее разработанных топливные элементы технологии. Щелочные топливные элементы потребляют водород и чистый кислород для производства питьевой воды, тепла и электричества. Они являются одними из самых эффективных топливных элементов, их потенциал достигает 70%.

НАСА использовало щелочные топливные элементы с середины 1960-х годов в миссиях серии Apollo и на космическом корабле Space Shuttle.

Содержание

1 Химия
2 Электролит
3 Базовые конструкции
4 Преимущества перед кислыми топливными элементами
5 Коммерческие перспективы
6 См. Также
7 Ссылки
8 Внешние ссылки

Химия

Топливный элемент вырабатывает энергию за счет окислительно-восстановительной реакции между водородом и кислородом. На аноде водород окисляется по реакции:

$H 2 + 2 OH - ⟶ 2 H 2 O + 2 e - {\ displaystyle \ mathrm {H} _ {2} + \ mathrm {2OH} ^ {-} \ longrightarrow \ mathrm {2H} _ {2} \ mathrm {O} + \ mathrm {2e} ^ {-}}$ ${\ displaystyle \ mathrm {H} _ {2} + \ mathrm {2OH} ^ {-} \ longrightarrow \ mathrm {2H} _ {2} \ mathrm {O} + \ mathrm {2e} ^ {-}}$

производство воды и высвобождение электронов. Электроны проходят через внешнюю цепь и возвращаются на катод, восстанавливая кислород в реакции:

$O 2 + 2 H 2 O + 4 e - ⟶ 4 OH - {\ displaystyle \ mathrm {O } _ {2} + \ mathrm {2H} _ {2} \ mathrm {O} + \ mathrm {4e} ^ {-} \ longrightarrow \ mathrm {4OH} ^ {-}}$ ${\ mathrm {O}} _ {2} + {\ mathrm {2H}} _ {2} {\ mathrm {O}} + {\ mathrm {4e}} ^ {-} \ longrightarrow {\ mathrm {4OH}} ^ {-}$

получение гидроксида ионы. Чистая реакция потребляет одну молекулу кислорода и две молекулы водорода для образования двух молекул воды. Электричество и тепло образуются как побочные продукты этой реакции.

Электролит

Два электрода разделены пористой матрицей, насыщенной водным щелочным раствором, таким как гидроксид калия (КОН). Водные щелочные растворы не выделяют диоксид углерода (CO 2), поэтому топливный элемент может «отравиться» из-за превращения KOH в карбонат калия (K2CO3). Из-за этого щелочные топливные элементы обычно работают на чистом кислороде или, по крайней мере, на очищенном воздухе и должны включать в себя «скруббер» для очистки как можно большего количества диоксида углерода. Поскольку требования по производству и хранению кислорода делают АФК на чистом кислороде дорогими, мало компаний, которые активно развивают эту технологию. Однако в исследовательском сообществе ведутся споры о том, является ли отравление постоянным или обратимым. Основными механизмами отравления являются необратимое блокирование пор катода с помощью K 2CO3и снижение ионной проводимости электролита, которое может быть обратимым путем восстановления исходной концентрации КОН. Альтернативный метод включает простую замену KOH, который возвращает ячейку к исходному состоянию.. Когда диоксид углерода вступает в реакцию с электролитом, образуются карбонаты. Карбонаты могут осаждаться на порах электродов, которые в конечном итоге блокируют их. Было обнаружено, что АЧХ, работающие при более высоких температурах, не показывают ухудшения рабочих характеристик, тогда как примерно при комнатной температуре было показано значительное снижение рабочих характеристик. Считается, что карбонатное отравление при температуре окружающей среды является результатом низкой растворимости K 2CO3при комнатной температуре, что приводит к осаждению K 2CO3, который блокирует поры электрода. Кроме того, эти осадители постепенно снижают гидрофобность защитного слоя электрода, что приводит к структурной деградации и затоплению электрода.

$CO 2 + 2 KOH ⟶ K 2 CO 3 + H 2 O {\ displaystyle \ mathrm {CO} _ {2} + \ mathrm {2KOH} \ longrightarrow \ mathrm {K} _ {2} \ mathrm {CO } _ {3} + \ mathrm {H} _ {2} \ mathrm {O}}$ ${\ displaystyle \ mathrm {CO} _ {2} + \ mathrm {2KOH} \ longrightarrow \ mathrm {K} _ {2} \ mathrm {CO} _ {3} + \ mathrm {H} _ {2} \ mathrm {O}}$ . С другой стороны, несущие заряд гидроксид-ионы в электролите могут реагировать с диоксидом углерода в результате окисления органического топлива (т. Е. Метанола, муравьиная кислота) или воздух с образованием карбонатов.

$2 OH - + CO 2 ⟶ CO 3 2 - + H 2 O {\ displaystyle \ mathrm {2OH} ^ {-} + \ mathrm {CO} _ {2} \ longrightarrow \ mathrm {CO} _ {3 } ^ {2 -} + \ mathrm {H} _ {2} \ mathrm {O}}$ ${\ displaystyle \ mathrm {2OH} ^ {-} + \ mathrm {CO} _ {2} \ longrightarrow \ mathrm {CO} _ {3} ^ {2 -} + \ mathrm {H} _ {2} \ mathrm {O}}$ . Образование карбоната истощает ионы гидроксида из электролита, что снижает проводимость электролита и, следовательно, производительность элемента. Наряду с этими объемными эффектами, влияние на водоотведение из-за изменения давления пара и / или изменения объема электролита также может быть вредным.

Основные конструкции

Из-за этого отравляющего эффекта существуют два основных варианта AFC: статический электролит и проточный электролит. В статических или иммобилизованных электролитных элементах того типа, который используется в космических кораблях «Аполлон» и космических челноках, обычно используется сепаратор асбеста, насыщенный гидроксидом калия. Производство воды контролируется испарением с анода, как показано выше, что дает чистую воду, которую можно использовать для других целей. В этих топливных элементах обычно используются платиновые катализаторы для достижения максимальной объемной и удельной эффективности.

В конструкциях с проточным электролитом используется более открытая матрица, которая позволяет электролиту течь либо между электродами (параллельно электродам), либо через электроды в поперечном направлении (топливный элемент типа ASK или EloFlux). В конструкциях с параллельным потоком электролита образовавшаяся вода удерживается в электролите, и старый электролит можно заменить на свежий аналогично замене масла в автомобиле. Для обеспечения этого потока между электродами требуется больше места, и это приводит к увеличению сопротивления ячейки, уменьшению выходной мощности по сравнению с конструкциями с иммобилизованным электролитом. Еще одна проблема для технологии заключается в том, насколько серьезна проблема постоянного блокирования катода из-за K 2CO3; в некоторых опубликованных отчетах указаны тысячи часов работы в эфире. В этих конструкциях использовались как платиновые катализаторы, так и катализаторы из неблагородных металлов, что привело к повышению эффективности и стоимости.

Конструкция EloFlux с поперечным потоком электролита имеет преимущество, заключающееся в низкой стоимости конструкции и заменяемом электролите, но до сих пор была продемонстрирована только с использованием кислорода.

Электроды состоят из двухслойной структуры: активного слоя электрокатализатора и гидрофобного слоя. Активный слой состоит из органической смеси, которую измельчают, а затем прокатывают при комнатной температуре с образованием сшитого самонесущего листа. Гидрофобная структура предотвращает утечку электролита в каналы потока реагирующего газа и обеспечивает диффузию газов к месту реакции. Затем два слоя прижимают к проводящей металлической сетке, и процесс спекания завершается.

Другие варианты щелочного топливного элемента включают металлогидридный топливный элемент и прямой борогидридный топливный элемент.

Преимущества перед кислотными топливными элементами

Щелочное топливо элементы работают между температурой окружающей среды и 90 ° C с электрическим КПД выше, чем топливные элементы с кислотным электролитом, такие как топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC), твердооксидные топливные элементы и Топливные элементы на основе фосфорной кислоты. Из-за щелочного химического состава кинетика реакции восстановления кислорода (ORR) на катоде намного более легкая, чем в кислотных ячейках, что позволяет использовать не- благородные металлы, такие как железо, кобальт или никель на аноде (где топливо окислено); и более дешевые катализаторы, такие как серебро или железо фталоцианины на катоде из-за низких перенапряжений, связанных с электрохимическими реакциями при высоких pH.

Щелочная среда также ускоряет окисление таких топлив, как метанол, что делает их более привлекательными. Меньшее загрязнение по сравнению с кислотными топливными элементами.

Коммерческие перспективы

AFC являются самыми дешевыми в производстве топливными элементами. Катализатор, необходимый для электродов, может быть любым из ряда различных химикатов, которые являются недорогими по сравнению с теми, которые требуются для других типов топливных элементов.

Коммерческие перспективы AFC в значительной степени связаны с недавно разработанной версией этой технологии с биполярной пластиной, значительно превосходящей по характеристикам более ранние версии с монопластиной.

Первый в мире корабль с топливными элементами, Hydra, использовал систему AFC с полезной мощностью 5 кВт.

Другой недавней разработкой является твердотельный щелочной топливный элемент, в котором вместо жидкого электролита используется твердая анионообменная мембрана. Это решает проблему отравления и позволяет разрабатывать щелочные топливные элементы, способные работать на более безопасных носителях, богатых водородом, таких как жидкие растворы мочевины или комплексы аминов металлов.

См. Также

Энергетический портал

Ссылки

^Редакция Reuters (14 сентября 2007 г.). «Топливный элемент, не содержащий платины, разработан в Японии». Рейтер. Проверено 26 февраля 2016 г.

Внешние ссылки

Разработчики