ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Конструкция ячейки

Способ соединения ТПТЭ может быть проиллюстрирован на примере к струкции ТЭ компании Ballard. Основу элемента составляет мембранно-э. тродный блок (МЭБ) — трехслойная структура, состоящая из двух тонких ристых электродов (обычно покрытых карбоном), разделенных ионообме■ мембраной, выполняющей функцию электролита.

В месте контакта электродов с электролитом используется небольшое личество катализатора. Слои связываются вместе посредством нагрева сб «сэндвича» под давлением до тех пор, пока электролит не становится мя Толщина МЭБ обычно меньше 1 мм.

Контакт с электродами осуществляется через газопроточные пластинь таллические или, как правило, графитовые), на поверхности которых име канавки. Поток топлива и окислителя движется по этим канавкам и та образом равномерно распределяется по всей активной поверхности яче*

Пример сложной структуры канавок на газопроточной пластине приведен на рис. 7.18.

В углах газопроточных пластин имеется ряд отверстий, которые выполня­ют роль коллекторов. Все пластины, за исключением двух концевых, являются биполярными — одна поверхность пластины соединяется с анодом, другая — с катодом. На рис. 7.18 показана катодная поверхность пластины, на которую подается окислитель и с которой отводятся обедненный кислородом окислитель и вода. Водород на анодную сторону газопроточной пластины подается через отверстия меньших размеров. Это связано с тем, что воздух подается в большем количестве, чем требуется по стехиометрическому соотношению. Избыточное количество воздуха используется для охлаждения ТЭ и для отвода образующей­ся воды.

Рис. 7.18. На поверхности проточной пластины имеется система канавок, необходимая для распределения топлива и окислителя по поверхности электродов. На показанной катодной поверхности пластины окислитель поступает и отво­дится через большие отверстия треугольной формы, выполненные в верхнем правом и нижнем левом углах пластины. Остальные отверстия используются для подачи водорода и воды

Эффективность ячейки существенным образом зависит от структуры канавок, ыполненных на пластине. Система канавок должна способствовать движению в эды, «затопляющей» участки элемента, а также равномерному распределению

реагентов. При биполярной схеме включения все элементы в батарее соедине­ны последовательно.

7.5.5.1. Мембрана

Большая часть используемых мембран относится к протонно-обменному тип; в последнее время были предложены мембраны анионообменного типа, котор^ имеют ряд преимуществ: устойчивость к углекислому газу, упрощенное регули рование водоотвода, возможность использования более дешевых неблагородк металлов в качестве катализаторов.

Мембраны, выполняющие роль электролита, должны обладать высокой ион ной проводимостью, но не должны проводить электроны. Они должны бы непроницаемы для газов и способны выдерживать существенные перепады да ления.

Материалом для многих таких мембран служит тефлоновая основа с функ циональной сульфоновой группой S03 в боковой цепи. Это кислотная гру * неподвижна и не может вытечь.

Чем тоньше мембрана, тем меньше ее сопротивление потоку протонов. Обы но используют мембраны толшиной от 50 до 180 мкм1*. Если мембрана оказь1 ется слишком тонкой, через нее просачиваются газы и КПД ячейки снижаете о чем свидетельствует падение напряжения на ячейке.

Для того чтобы мембрана имела высокую протонную проводимость, не ходимо чтобы концентрация S03 была достаточно высокой. Отношение меж массой сухого полимера (кг) и количеством S03 (кмоль) называется эквивален ным весом (ЭВ). Чем меньше ЭВ. тем выше ионная проводимость. Для мемб] с одинаковой основой, чем короче боковая цепь, тем меньше ЭВ. Наприме мембрана из нафиона с боковой цепью

-О - CF2 - CF3CF - О - CF2 - CF2 - S03H имеет больший ЭВ, чем мембрана Dow с более короткой цепью

-О - CF2 - CF2 - S03H

Действительно, ЭВ нафиона обычно составляет 1100 кг/кмоль, тогда как Э мембран Dow равен примерно 800 кг/кмоль.

Протонная проводимость мембраны зависит также от того, полностью Л мембрана гидратирована (проводимость сухой мембраны значительно уменьш ется), поэтому важно обеспечить правильное управление отводом и подводов воды (см. ниже).

Мембраны могут быть очень дорогими. В 80-х годах стоимость нафиона с ставляла 800 долл/м2. Одной из причин такой высокой стоимости является длительный ресурс — этот материал был разработан в расчете на 100 000 ч ра

|; Толщина листа офисной бумаги равна примерно 100 мкм боты в установках по производству хлора. Ресурс же автомобиля вряд ли превы­шает 300 ООО км пробега, что при средней скорости движения 30 км/ч составит 10 000 ч работы. Таким образом, применительно к топливным элементам для •втомобилей нафион имеет слишком большой запас по рабочему ресурсу, поч­ати на порядок превышающий необходимое значение. Компания Ballard прило - . та усилия, чтобы создать собственный тип мембран, в которых содержалось бы меньше фтора, их стоимость была бы ниже, а эффективность выше, чем в мембранах Dow и мембранах из нафиона. Как ни странно, но рабочий ре­сурс этих мембран превысил 15 000 часов, что более чем достаточно для ав­томобильных ТЭ.

7.5.5.2. Катализаторы

Вследствие низкого уровня рабочих температур в ТПТЭ, скорость протекаю­щих в них реакций неприемлемо мала, если не использовать специальные ката­лизаторы В качестве катализаторов обычно используются дорогостоящие бла­городные металлы, что существенно повышает стоимость ТЭ. Были приложены начительные усилия, чтобы снизить количество используемых катализаторов. В ранних моделях ТЭ использование платинового катализатора в количестве ври мерно 4 мг/см2 добавляло более 500 долл. к стоимости каждого квадратного :тра активной поверхности ТЭ. К счастью, в настоящее время активно исполь - їтся методика, позволяющая уменьшить почти на порядок количество требу­емой платины, а в исследованиях Лос-Аламосской национальной лаборатории чал ось добиться более значительного снижения количества платины. Английская : ирма Johnson and Matthey, которая производит каталитические нейтрализаторы. работавших газов для обычных автомобилей, проводит совместно с компани-

Ballard исследования, направленные на снижение стоимости катализаторов в I '1ТЭ. Один из способов уменьшения количества используемой платины свя - н с тем фактом, что каталитическими свойствами обладает только поверхность материала. При уменьшении размера частиц платины увеличивается удельная поверхность материала, а значит, при одном и том же значении площади ката­литической поверхности потребуется меньшее его количество.

Другой подход заключается в использовании маленьких частиц графита, на ' оверхность которых нанесен тонкий слой платины. Уменьшить количество пла­тины можно также путем ее легирования более дешевым рутением, обладающим * талитическими свойствами и большей устойчивостью в монооксиду углерода. Действительно, одной из проблем при использовании катализаторов является их вствительность к определенным содержащимся в потоке водорода примесям, . ».обенно к монооксиду углерода. Если в ТЭ подается водород, полученный из т іеводородного сырья, например метана или метанола, то в таком водороде не - чбежно будет содержаться некоторое (1-2 %) количество монооксида углерода СО, Для нормальной работы ТЭ необходимо, чтобы концентрация СО была су-

щественно ниже. Снижение концентрации СО ниже 100 промилле может о заться дорогостоящей операцией.

Удалить большую часть примесей из продукта конверсии углеводородов ма но, если пропустить их через палладиевый фильтр. В Лос-Аламосской на ' нальной лаборатории изготовили такой фильтр, представляющий собой тоні танталовую пластину, с обеих сторон которой нанесен слой палладия. Ком нией Idatech была создана система топливоподготовки, которая производит дород высокой степени чистоты благодаря применению палладиевых филь (см. гл. 9). Были рассмотрены и другие типы катализаторов, возможно та использование для этой цели ферментов

При использовании водорода, содержащего небольшое количество мо сида углерода (например, 100 промилле), радикально снижается КПД ни температурных топливных элементов с платиновым катализатором (рис. 7.1 Однако, если добавить в топливо небольшое количество кислорода, кото соединится с молекулами монооксида углерода, КПД ТЭ практически о нется прежним.

0І _______________________ і___ L_ -

0 2000 4000 6000 8000 іОООС

Плотность тока, А/м2

Рис. 7.19. При подаче в ТПТЭ с платиновым катализатором водорода, содержа 100 промилле СО, КПД ТЭ радикально снижается. Однако добавлен топливный поток небольшого количества кислорода, соединяющег молекулами СО, позволяет повысить КПД ТЭ до уровня, соответствую использованию чистого водорода

С ростом температуры чувствительность платинового катализатора к м оксиду углерода СО снижается. При 80 °С концентрация СО должна быть выше 10 промилле. При 90 °С (уровень температуры, при котором работают фирмы Ballard) допустимы более высокие значения концентрации. Катали ры-сплавы (например, Pt+Ru) менее чувствительны к монооксиду углерода, было показано для ТЭ компании Ballard, в качестве топлива можно испот

гзть продукты конверсии углеводородов- содержащие до 2 % СО, если предва - - [тельно пропустить их над платино-алюминиевым катализатором, а на аноде пользовать катализатор из сплава Pt+Ru.

Существует возможность совсем отказаться от использования дорогостоящих 111ализаторов на основе платины. В анодной реакнии молекула водорода разла­ется на два протона и два электрона (см. формулу (3)), ту же самую реакцию юс>шествляют анаэробные бактерии (см. гл. 11) с помощью ферментов, которые ш»?ываются гидрогеназами. Синтетические гидрогеназы были получены Робертом тГечбре в Университете Небраски г. Линкольн, с использованием соединений г тения и железа. Рутений, стоимость которого существенно ниже стоимости патины, может быть перспективным катализатором для низкотемпературных • 1ПЛИВНЫХ элементов.

При отравлении катализатора в топливном элементе его функции можно вос - I новить, если подать в ТЭ на короткое время чистый водород.

уіонооксид углерода — это не единственных отравляющий катализатор газ, і тгорый необходимо удалять. ТПТЭ имеют высокую чувствительность также к. динениям серы (например, H2S) и аммиаку (NH3).

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

РАБОТА

Выше мы говорили о том, что газ, находящийся в цилиндриче­ском сосуде с поршнем, может совершать работу. Какова эта работа? Сила, действующая на поршень со стороны газа, равна рА, где А …

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Подведем некоторое количество Q теплоты к газу, находящему- ■ : цилиндре с адиабатическими стенками и поршнем внутри, который может ■сремещаться без трения. Наличие адиабатических стенок означает, что тепло - р …

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ ПРИ ПОСТОЯННОМ ОБЪЕМЕ

При изменении температуры некоторого фиксированного коли­чества газа будет меняться его внутренняя энергия. Если при этом объем газа остается постоянным (например, газ помещен в сосуд с жесткими стенками), то изменение его …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.