Мембранное материаловедение проф д. Х н. Ямпольский Ю. П. д Х. н. Алентьев А. Ю. Инхс ран

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