Мембранное материаловедение. Топливные элементы презентация

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 – 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

ТЭ – будущие основные источники энергии