Лекция 14 ТЭ с твердым полимерным электролитом Принцип работы Полимерная мембрана

Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики
Лекция 14 ТЭ с твердым
полимерным электролитом
Принцип
работы
Полимерная мембрана
Электроды
Катализаторы
Режим влажности
Биполярные пластины
1
Кафедра ВЭПТ
олита
Технологии производства элементов водородной энергетики
Схема работы твердополимерного ТЭ
Рабочая
температура
Анодная реакция
-
Катодная реакция
-
р КОН 60-150С
Н2 + 2ОН = 2Н2О + 2e
0,5О2 + 2Н2О +2e =2ОН
енка
Н2 = 2Н+ + 2e
0,5О2 + 2Н+ + 2e = Н2О
енка
60-120С
60-120С
+
+
CН3OH + H2O= CO2 + 6Н + 6e 1,5О2 + 6Н + 6e = 3Н2О
2
Кафедра ВЭПТ
Технологии производства элементов водородной энергетики
Состав Ячейки ТПТЭ:
-полимерная ионообменная мембрана
-Проводящие пористые слои
-Электрокаталитические слои (между
мембраной и пористыми слоями
-Интерконнекторы и
газораспределительные пластины с
каналами для протока газа
-Катализатор может наноситься или на
пористые электроды, или прямо на
мембрану
3
Кафедра ВЭПТ
Технологии производства элементов водородной энергетики
Полимерная мембрана: Перфторированные сульфосодержащие
полимерные пленки
Этилен
полиэтилен
Тетрафторэтилен
политетрафторэтилен
Гидрофильная
область
Перфторированная иономерная
Мембрана Nafion
Гидрофобная
область
4
Кафедра ВЭПТ
Технологии производства элементов водородной энергетики
Принцип действия:
Если мембрану увлажнить, то кислотные группы –SO3H гидратируются, диссоциируют
на SO-3 и H+, создавая протонную проводимость.
На аноде молекулы водорода на катализаторе распадаются на ионы и электроны.
Протоны в контакте с водой гидратируются
Протоны, (гидратированные H+.nH2O), мигрируют через мембрану, прыгая от одной
сульфо-группы к другой, а на катоде взаимодействуют с кислородом образуя Н2О
Свойства мембраны:
Основная цепь – гидрофобная (тефлон)
Боковая цепь – гидрофильная. В гидрофильной области каждая сульфогруппа (SO3- Н+)
может удержать до 20 молекул воды. Мембрана может впитать до 50 масс.% воды.
При этом проводимость мембраны около 1.1 См/см.
Достоинства мембраны Nafion:
-Высокая химическая стойкость в окислительных и восстановительных атмосферах,
кислотах.
-Высокая температурная стабильность (до 120 С)
-Высокая механическая прочность, (может быть сделана в виде пленки толщиной до 50
мкм).
-Большое время жизни (до 50 000 часов)
5
Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики
Электроды и электродные структуры
Лучший катализатор – Pt.
В настоящее время расход катализатора ~ 0,2 мг/см2 . На 1 кВт ТЭ нужно Pt
на 10 долл.
Обычно наночастицы Pt наносят на частицы углеродной сажи
Оптимальные размеры
наночастиц Pt 2 -3 нм
Варианты нанесения катализатора:
1. На электрод
2. На электролит
6
Кафедра ВЭПТ
Технологии производства элементов водородной энергетики
Функции ПЭ:
Обеспечение диффузионного потока газа к мембране
Обеспечение механической поддержки мембраны
Обеспечение электрической проводимости для электронов
Отведение воды от мембраны
Обычно ПЭ ТПТЭ сделаны из углеродной бумаги, углеродной
ваты, прессованных углеродных волокон с добавкой тефлона.
Создает гидрофобные области для предотвращения затопления
ПЭ
Катализатор может наноситься на ПЭ кисточкой, распылением и
т.д.
После нанесения катализатора ПЭ и мембрана прессуются вместе
при 140 С. Получается МЭБ
7
Кафедра ВЭПТ
Технологии производства элементов водородной энергетики
При нанесении катализатора на мембрану:
Электрод образуется прямо на мембране.
Катализатор смешивается в жидким гидрофобным тефлоном и
наносится на поверхность мембраны.
Сверху укладываются ПЭ
8
Кафедра ВЭПТ
Технологии производства элементов водородной энергетики
Контроль влажности ТПТЭ
Для работы ТЭ мембрана должна быть увлажненной. Протонная проводимость прямо
пропорциональна содержанию воды.
Но воды не должно быть слишком много, т.к. она будет заполнять поры ПЭ, блокируя доступ
газа.
Движение воды в ТПТЭ
Анод ТЭ осушается, особенно при высоких плотностях тока.
При повышенных температурах начинает работать
осушающий эффект воздуха на катодной стороне.
При Т>60 С воздух всегда будет осушать катод (т.е. уносить
воды больше, чем производится в ЭХР.
Общий выход: увлажнять и топливо и окислитель
Проблема неравномерного увлажнения или осушения
различных частей ТЭ, например осушение потоком воздуха от
входа к выходу
Усложняется при увеличении площади ТЭ и сборке с стек.
9
Кафедра ВЭПТ
Технологии производства элементов водородной энергетики
Прокачка воздуха и испарение воды
Чтобы уменьшить концентрационные потери нужно прокачивать
воздуха по меньшей мере в 2 раза больше, чем нужно
стехиометрически для реакции
Давление насыщенных паров, кПа
Относительная влажность:
φ=Pп/Pнас (%)
Если взять воздух при Т=20 С и
φ=70%, парциальное давление
паров воды будет:
Рп=0,7хРнас=0,7Х2,338 = 1, 64 кПа
Нагреем этот воздух до 60 С. φ=1,64 кПа/19,94кПа = 8%
10
Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики
Контроль влажности воздуха
Воздух, подаваемый на катод ТЭ должен быть достаточно сухой, чтобы испарить воду,
выделившуюся в ЭХР и достаточно влажный, чтобы предотвратить осушение
мембраны (~80%).
Влажность воздуха на выходе при
работе ТПТЭ (1 атм.) при
стехиометрических
коэффициентах 2 и 4
Увлажнение воздуха в ТПТЭ
необходимо при работе на Т выше
60 С
При Т~30C для предотвращения
Затопления ТЭ
Нужно обеспечивать
Проток воздуха с
λ~20- 25
11
Кафедра ВЭПТ
Технологии производства элементов водородной энергетики
Принцип внешнего увлажнения
1. Для более равномерного распределения влажности мембраны увлажнять нужно
не только воздух, но и водород
2. Увлажнение достигается испарением воды в газ – при этом газ охлаждается.
3. При увеличении рабочего давления быстро возрастает количество воды,
которое нужно добавить в газ, чтобы достичь нужной влажности.
Методы увлажнения:
1. Барботирование газа через воду с контролируемой температурой.
Предполагается, что на выходе из барботера газ имеет влажность 100 % и
температуру воды.
2. Прямая инжекция воды в газ с помощью распылителя
3. Прямая инжекция воды в ТЭ
12
Кафедра ВЭПТ
Технологии производства элементов водородной энергетики
13
Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики
Биполярные пластины ТПТЭ
14
Кафедра ВЭПТ
Технологии производства элементов водородной энергетики
ТПТЭ с водородным топливом
15
Кафедра ВЭПТ
Технологии производства элементов водородной энергетики
ТПТЭ с риформингом УВ или спиртов
16