Войти
Топливный элемент с прямым метанолом Топливный элемент с прямым метанолом или DMFC являются подкатегорией протонообменных топливных элементов, в которых в качестве топлива используется метанол. Их главное преимущество - легкость транспортировки метанола, энергоемкой, но достаточно стабильной жидкости при любых условиях окружающей среды.
Хотя термодинамическая теоретическая эффективность преобразования энергии DMFC составляет 97%; достижимая в настоящее время эффективность преобразования энергии для действующих ячеек достигает 30% - 40%. В настоящее время ведутся интенсивные исследования перспективных подходов к повышению эффективности работы.
Более эффективная версия прямого топливного элемента сыграла бы ключевую роль в теоретическом использовании метанола в качестве общей среды для переноса энергии в предположении экономия метанола.
В отличие от непрямых топливных элементов на метаноле, где метанол реагируя с водородом посредством парового риформинга, DMFC используют раствор метанола (обычно около 1 M, т.е. около 3% по массе) для переноса реагента в ячейку; общие рабочие температуры находятся в диапазоне 50–120 ° C, где высокие температуры обычно находятся под давлением. Сами DMFC более эффективны при высоких температурах и давлениях, но эти условия в конечном итоге приводят к таким большим потерям во всей системе, что теряется преимущество; поэтому в настоящее время предпочтительны конфигурации с атмосферным давлением.
Из-за перехода метанола, явления, при котором метанол диффундирует через мембрану, не вступая в реакцию, метанол подается в виде слабого раствора: это значительно снижает эффективность, поскольку происходит переход метанола после достижения воздушной стороны. (катод) сразу вступает в реакцию с воздухом; хотя точная кинетика обсуждается, конечным результатом является снижение напряжения ячейки. Переход остается основным фактором неэффективности, и часто половина метанола теряется из-за перехода. Переход метанола и / или его эффекты могут быть смягчены посредством (а) разработки альтернативных мембран (например), (б) улучшения процесса электроокисления в слое катализатора и улучшения структуры слоев катализатора и газодиффузии (например) и (c) оптимизация конструкции поля потока и сборки мембранного электрода (MEA), которая может быть достигнута путем изучения распределений плотности тока (например).
Другие проблемы включают управление углекислым газом, образовавшимся на аноде, вялое динамическое поведение и способность поддерживать раствор в воде.
Единственными отходами топливных элементов этого типа являются диоксид углерода и вода.
Текущие DMFC ограничены в мощности, которую они могут производить, но все же могут хранить большое количество энергии в небольшом пространстве. Это означает, что они могут производить небольшое количество энергии в течение длительного периода времени. Это делает их непригодными для питания больших транспортных средств (по крайней мере, напрямую), но они идеально подходят для небольших транспортных средств, таких как вилочные погрузчики и буксиры, а также для потребительских товаров, таких как мобильные телефоны, цифровые камеры или ноутбуки. Военное применение DMFC является новым применением, поскольку они имеют низкий уровень шума и тепловые характеристики и не содержат токсичных стоков. Эти приложения включают питание переносного тактического оборудования, зарядные устройства для аккумуляторов и автономное питание для испытательного и тренировочного оборудования. Доступны агрегаты с выходной мощностью от 25 Вт до 5 киловатт с продолжительностью до 100 часов между дозаправками.
Метанол представляет собой жидкость при температуре от -97,0 ° C до 64,7 ° C при атмосферном давлении. Объемная удельная энергия метанола на порядок больше, чем даже сильно сжатый водород, примерно в два раза больше, чем жидкий водород, и в 2,6 раза больше, чем литий-ионный. батарейки. Плотность энергии на единицу массы в десять раз меньше плотности водорода, но в 10 раз выше, чем у литий-ионных батарей.
Метанол слегка токсичен и очень легко воспламеняется. Тем не менее, Комиссия по опасным грузам (DGP) Международной организации гражданской авиации (ИКАО) проголосовала в ноябре 2005 г. за разрешение пассажирам перевозить и использовать топливные микрочастицы и топливные картриджи с метанолом на борту самолетов для питания портативных компьютеров и других потребителей электронные устройства. 24 сентября 2007 г. Министерство транспорта США выпустило предложение разрешить пассажирам авиакомпаний иметь на борту картриджи топливных элементов. 30 апреля 2008 года Министерство транспорта вынесло окончательное решение, разрешающее пассажирам и экипажу перевозить утвержденный топливный элемент с установленным картриджем метанола и до двух дополнительных запасных картриджей. Стоит отметить, что максимальный объем картриджа с метанолом 200 мл, разрешенный в окончательном решении, вдвое превышает предел в 100 мл для жидкостей, разрешенный Управлением транспортной безопасности в ручной клади.
DMFC основан на окислении метанола на слое катализатора с образованием диоксида углерода. Вода потребляется на аноде и производится на катоде. Протоны (H) переносятся через протонообменную мембрану - часто сделанную из нафиона - к катоду, где они реагируют с кислородом с образованием воды. Электроны переносятся по внешней цепи от анода к катоду, обеспечивая питание подключенных устройств.
полуреакциями являются:
| Уравнение | |
|---|---|
| Анод |  . окисление |
| Катод |  . восстановление |
| Общая реакция |  . окислительно-восстановительная реакция |
Метанол и вода адсорбируются на катализаторе, который обычно производится частиц платины и рутения и теряют протоны до образования диоксида углерода. Поскольку вода расходуется на аноде в реакции, чистый метанол нельзя использовать без подачи воды через любой пассивный транспорт, такой как обратная диффузия (осмос ), или активный транспорт, такой как перекачка. Потребность в воде ограничивает удельную энергию топлива.
Платина используется в качестве катализатора обеих полуреакций. Это способствует потере потенциала напряжения ячейки, так как любой метанол, присутствующий в катодной камере, будет окисляться. Если бы можно было найти другой катализатор для восстановления кислорода, проблема перехода метанола, вероятно, была бы значительно уменьшена. Кроме того, платина очень дорога и приводит к высокой стоимости киловатта этих элементов.
Во время реакции окисления метанола образуется окись углерода (CO), которая сильно адсорбируется на платиновом катализаторе, уменьшая количество доступных реакционных центров и, следовательно, производительность электролизера. Добавление других металлов, таких как рутений или золото, к платиновому катализатору имеет тенденцию решать эту проблему. В случае платино-рутениевых катализаторов считается, что оксофильная природа рутения способствует образованию гидроксильных радикалов на его поверхности, которые затем могут реагировать с монооксидом углерода, адсорбированным на атомах платины. Вода в топливном элементе окисляется до гидроксильного радикала посредством следующей реакции: H 2 O → OH • + H + e. Затем гидроксильный радикал окисляет моноксид углерода с образованием диоксида углерода, который выделяется с поверхности в виде газа: CO + OH • → CO 2 + H + д.
Использование этих групп ОН в полуреакциях также выражается как:
| Уравнение | |
|---|---|
| Анод |  . окисление |
| Катод |  . восстановление |
| Общая реакция | . окислительно-восстановительная реакция |
Метанол на анодной стороне обычно находится в слабом растворе (от 1M до 3M), потому что метанол в высоких концентрациях имеет тенденцию диффундировать через мембрану к катоду, где его концентрация примерно равна нулю, потому что это быстро потребляется d кислородом. Низкие концентрации помогают уменьшить переход, но также ограничивают максимально достижимый ток.
На практике обычно петля раствора входит в анод, выходит, снова заполняется метанолом и снова возвращается к аноду. В качестве альтернативы в топливные элементы с оптимизированной структурой можно напрямую подавать растворы метанола с высокой концентрацией или даже чистый метанол.
Вода в анодном контуре теряется из-за анодной реакции, но в основном из-за сопутствующего сопротивления воды: каждый протон, образующийся на аноде, увлекает некоторое количество молекул воды на катод. В зависимости от температуры и типа мембраны это число может составлять от 2 до 6.
Топливный элемент с прямым метанолом обычно является частью более крупной системы, включая все вспомогательные блоки, которые позволяют его операция. По сравнению с большинством других типов топливных элементов, вспомогательная система DMFC относительно сложна. Основными причинами его сложности являются:
