ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Система подачи и отвода воды

Современные ионообменные мембраны являются кислотным электролитом. Ьоэтому возле катода образуется вода, которая скапливается и «затопляет» элек - >д, препятствуя таким образом доступу водорода к активной поверхности. Для.. го чтобы уменьшить количество воды, скапливающейся в порах и полостях V ЭС, используются гидрофобные материалы (как правило, тефлон).

Вода удаляется с потоком окислителя, который, как правило, подается в су­щественно большем количестве, чем того требует стехиометрическое соотноше­ние. Обычно, для того чтобы подать достаточное количество кислорода, расход иуха в 2 раза превышает необходимый.

Как следует из уравнения (3), в анодной реакции образуются протоны, одна - ионы, которые на самом деле мигрируют сквозь электролит, — это гидрати - - анные протоны. Таким образом, вода расходуется вблизи анода, так как она качивается» к катоду «электрическим» способом, вследствие чего происходит лшение мембраны. Частично это осушение компенсируется за счет концент - ионной диффузии воды в мембрану из прикатодной области. Тем не менее "подается процесс «обезвоживания» протонно-обменной мембраны, что при­лит к ее сморщиванию и резкому уменьшению протонной проводимости. Для і чтобы избежать осушения мембраны, парциальное давление паров воды как топливе, так и в окислителе должно поддерживаться на уровне как минимум кПа. Если давление на входе ТЭ составляет 100 кПа (1 атм), то парциальное іепие водорода Н2 будет равно примерно 50 кПа и выходное напряжение будет лветственно уменьшаться. По этой причине обычно давление в ТЭ повыша­

ют до 300 кПа (3 атм), что позволяет получить парциальное давление воде равное 250 кПа, что соответствует эффективной работе ТЭ.

Таким образом, внимательное управление подачей и отводом воды н ходимо, чтобы избежать таких явлений, как «затопление» и «осушение» браны.

7.5.6. Метанольные топливные элементы

Как отмечалось выше, выгодной альтернативой хранению чне го водорода в качестве топлива на транспортном средстве с топливным эле том является использование веществ — переносчиков водорода, т. е. веш из которых при необходимости водород может быть легко получен с пом некоторых химических процессов. Метанол является наиболее подходящи' ществом для применения на транспорте в качестве переносчика водорода нако необходимость использования отдельной системы топливоподготовк, транспортном средстве увеличивает стоимость и сложность всей системы, видным решением проблемы является создание топливных элементов, кот работают на метаноле непосредственно. При этом отпадает необходим дополнительных операциях по приготовлению топлива.

Лаборатория Jet Propulsion провела серьезную работу по разработке мета ных топливных элементов (МТЭ).

В качестве топлива используется 3 %-ный водный раствор метанола, а лителем является воздух.

Реакция на аноде

СН3ОН + Н20 -> С02 + 6Н+ + 6е.

Катодная реакция

6Н+ + 6е~ + -02 н>ЗН20.

2 1 1

Таким образом, уравнение общей реакции имеет вид СН3ОН + |о2 -» С02 + 2Н20 .

В работе Халперта (1997 г.) было получено, что при температуре 90 °С и лении воздуха 2,4 атм из 1 л метанола в топливном элементе можно пол

5,0 МДж энергии. Это означает, что КПД ТЭ составляет 28 %, если относ полученную энергию к высшей теплоте сгорания метанола, или 32 %, если считывать КПД по низшей теплоте сгорания.

Метанольный топливный элемент лаборатории Jet Propulsion представляет собой твердополимерный топливный элемент, в котором мембрана изготовлена • з нафиона-117, а катализатор имеет достаточно высокое содержание благород­ных металлов (от 2 до 3 г/см2 сплава Pt+Ru). Использование нафиона совмест­но с большим количеством дорогостоящего катализатора приводит к высокой стоимости ТЭ. Поиск более эффективного катализатора анодной реакции мо­тет быть ускорен с помощью методики, предложенной Реддинггоном в 1998 г. Методика позволяет проводить параллельные испытания большого количества •'разцов катализатора (см. также журнал Service, 1998).

Одним из преимуществ МТЭ является непосредственный контакт анода водой, таким образом проблема осушения мембраны не возникает, а посто­йный поток жидкости упрощает отвод тепла из ТЭ. Проблемы загрязнения їжаюшей среды при использовании МТЭ также не столь остры, так как в цессе работы ТЭ производятся только диоксид углерода и вода, тогда как и преобразовании метанола в водород для питания ТЭ других типов образу - ся монооксид углерода.

«Кроссовер» метанола (т. е. перенос метанола от анода к катоду через мемб - из нафиона) немного уменьшает эффективность ТЭ. В упомянутом выше 3 таборатории Jet Propulsion из-за «кроссовера» теряется около 20 % топлива, иістоящее время разрабатываются новые, дешевые мембраны, в меньшей степе­подверженные этому недостатку. Уже получены мембраны, в которых потери івляют не более 10 %. Малые потери на «кроссовер» позволяют использовать >iee концентрированный раствор метанола, тем самым повышая эффективность • Исследователи лаборатории Jet Propulsion уверены, что смогут разработать МТЭ 'мним КПД 40 %. «Кроссовер» приводит к уменьшению эффективности ТЭ не зко вследствие потери некоторой части топлива, но также и потому, что мета - , который попадает на катод, подвергается той же реакции, что протекает на :де (уравнение (28)), при этом вырабатывается противоток, снижающий выход - напряжение на нагрузке. Международной корпорацией топливных элементов D получен патент на катализатор, который поддерживает реакцию, описываемую нением (29), но не способствует протеканию реакции (28)|). в настоящее время рассматриваются варианты использования МТЭ для ::мепсния на транспорте, а также для питания портативных электронных уст - ств. Для второй области применения важной особенностью является «воз-

.. с соавторами из Исследовательской лаборатории Армии США разработали катализатор из мнения железа, кобальта, тетрафенила и порфирина. который поддерживает реакцию ования воды, но не обладает каталитическими свойствами при реакции окисления - нола (уравнение (28)). В силу этого свойства данный катализатор может использо - іся в качестве катодного катализатора в МТЭ. Если метанол в прикатодной области не сдуется, то имеется возможность снова использовать его в качестве топлива. Для этого юлимо сконденсировать пар раствора метанола, который поступает с продуктами реакции лкатодной области.

Вместо привычной биполярной схемы соединения элементов в батарее ме I нольные топливные элементы для питания мобильных телефонов, ноутб к * других портативных электронных устройств соединяют в плоском корпусе, показано на рис. 7.20 (вверху), или в корпусе из двух обечаек (рис. 7.20, вни

о позволяет получить форму батареи элементов, совместимую с теми устрой - ігми, в которых она должна использоваться.