Щелочной топливный элемент

Схема щелочного топливного элемента:
1. Водород
2. Электронный поток
3. Загрузка
4. Кислород
5. Катод
6. Электролит
7. Анод
8. Вода
9. Гидроксид-ионы

Щелочной топливный элемент ( AFC ), также известный как топливный элемент Бэкона в честь его британского изобретателя Фрэнсиса Томаса Бэкона , является одной из наиболее развитых топливных элементов технологий . Щелочные топливные элементы потребляют водород и чистый кислород для производства питьевой воды, тепла и электричества. Они являются одними из самых эффективных топливных элементов, их потенциал может достигать 70%.

НАСА использует щелочные топливные элементы с середины 1960-х годов в миссиях серии «Аполлон» и на космических кораблях «Шаттл» . ^[1]

Половинные реакции

Топливный элемент производит энергию посредством окислительно-восстановительной реакции между водородом и кислородом. На аноде водород окисляется по реакции:

$\mathrm {H} _{2}+\mathrm {2OH} ^{-}\longrightarrow \mathrm {2H} _{2}\mathrm {O} +\mathrm {2e} ^{-}$

производя воду и высвобождая электроны. Электроны проходят через внешнюю цепь и возвращаются к катоду , восстанавливая кислород в реакции:

$\mathrm {O} _{2}+\mathrm {2H} _{2}\mathrm {O} +\mathrm {4e} ^{-}\longrightarrow \mathrm {4OH} ^{-}$

образование гидроксид- ионов. В результате чистой реакции расходуется одна молекула кислорода и две молекулы водорода на образование двух молекул воды. Электричество и тепло образуются как побочные продукты этой реакции.

Электролит

Два электрода разделены пористой матрицей, насыщенной водным щелочным раствором, например гидроксидом калия (КОН). Водные щелочные растворы не удаляют углекислый газ (CO ₂ ), поэтому топливный элемент может «отравиться» из-за превращения КОН в карбонат калия (K ₂ CO ₃ ). ^[2] По этой причине щелочные топливные элементы обычно работают на чистом кислороде или, по крайней мере, на очищенном воздухе , и в их конструкцию может быть включен «скруббер» для очистки как можно большего количества углекислого газа. ^[1] Поскольку требования к производству и хранению кислорода делают AFC на чистом кислороде дорогими, мало компаний занимаются активным развитием этой технологии. Однако в исследовательском сообществе ведутся споры о том, является ли отравление постоянным или обратимым. Основными механизмами отравления являются закупорка пор катода K ₂ CO ₃ , необратимая, и снижение ионной проводимости электролита, которое может быть обратимым путем возврата КОН к исходной концентрации. Альтернативный метод включает в себя простую замену КОН, которая возвращает ячейку к исходному состоянию.
При реакции углекислого газа с электролитом образуются карбонаты. Карбонаты могут осаждаться в порах электродов и в конечном итоге блокировать их. Было обнаружено, что AFC, работающие при более высокой температуре, не демонстрируют снижения производительности, тогда как при температуре около комнатной было показано значительное снижение производительности. Считается, что отравление карбонатами при температуре окружающей среды является результатом низкой растворимости K ₂ CO ₃ при комнатной температуре, что приводит к осаждению K ₂ CO ₃ , который блокирует поры электрода. Кроме того, эти осадители постепенно уменьшают гидрофобность подложки электрода, что приводит к структурной деградации и затоплению электрода.

$\mathrm {CO} _{2}+\mathrm {2KOH} \longrightarrow \mathrm {K} _{2}\mathrm {CO} _{3}+\mathrm {H} _{2}\mathrm {O}$
С другой стороны, несущие заряд гидроксид-ионы в электролите могут реагировать с диоксидом углерода в результате окисления органического топлива (например, метанола, муравьиной кислоты) или с воздухом с образованием карбонатов.

$\mathrm {2OH} ^{-}+\mathrm {CO} _{2}\longrightarrow \mathrm {CO} _{3}^{2-}+\mathrm {H} _{2}\mathrm {O}$
Образование карбонатов приводит к истощению гидроксид-ионов из электролита, что снижает проводимость электролита и, следовательно, производительность элемента.Помимо этих объемных эффектов, вредным может быть и влияние на управление водными ресурсами из-за изменения давления пара и/или изменения объема электролита.

Базовые конструкции

Из-за этого эффекта отравления существуют два основных варианта АЧХ: статический электролит и проточный электролит. В статических или иммобилизованных электролитных ячейках того типа, который используется в космических кораблях «Аполлон» и «Спейс шаттл», обычно используется сепаратор асбеста, насыщенный гидроксидом калия. Производство воды контролируется путем испарения с анода, в результате чего образуется чистая вода, которую можно использовать для других целей. В этих топливных элементах обычно используются платиновые катализаторы для достижения максимальной объемной и удельной эффективности.

В конструкциях с проточным электролитом используется более открытая матрица, которая позволяет электролиту течь либо между электродами (параллельно электродам), либо через электроды в поперечном направлении (топливные элементы типа ASK или EloFlux). В конструкциях с параллельным потоком электролита образующаяся вода сохраняется в электролите, а старый электролит можно заменить на свежий, аналогично замене масла в автомобиле. Для обеспечения такого потока между электродами требуется больше места, и это приводит к увеличению сопротивления элемента, снижению выходной мощности по сравнению с конструкциями с иммобилизованным электролитом. Еще одной проблемой для технологии является то, насколько серьезной является проблема постоянной блокировки катода K ₂ CO ₃ ; в некоторых опубликованных отчетах указывается на тысячи часов работы в эфире.В этих конструкциях использовались катализаторы как из платины, так и из неблагородных металлов, что привело к повышению эффективности и стоимости.

Конструкция EloFlux с поперечным потоком электролита имеет преимущество низкой стоимости конструкции и сменного электролита, но до сих пор она была продемонстрирована только с использованием кислорода.

Электроды имеют двухслойную структуру: активный электрокаталитический слой и гидрофобный слой. Активный слой состоит из органической смеси, которую измельчают, а затем прокатывают при комнатной температуре с образованием сшитого самонесущего листа. Гидрофобная структура предотвращает утечку электролита в каналы потока газов-реагентов и обеспечивает диффузию газов к месту реакции. Затем два слоя прижимаются к проводящей металлической сетке, и процесс завершается спеканием.

Другие варианты щелочного топливного элемента включают металлогидридный топливный элемент и боргидридный топливный элемент прямого действия .

Преимущества перед кислотными топливными элементами

Щелочные топливные элементы работают при температуре окружающей среды до 90 °C, при этом электрический КПД выше, чем у топливных элементов с кислым электролитом, таких как топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC), твердооксидные топливные элементы и топливные элементы на фосфорной кислоте . Из-за щелочной химии кинетика реакции восстановления кислорода (ORR) на катоде гораздо более легкая, чем в кислых ячейках, что позволяет использовать неблагородные металлы , такие как железо , кобальт , никель , марганец или наноматериалы на основе углерода. анод (где топливо окисляется); и более дешевые катализаторы, такие как серебро на катоде, ^[2] из-за низких перенапряжений , связанных с электрохимическими реакциями при высоких значениях pH .

Щелочная среда также ускоряет окисление топлива, такого как метанол, что делает его более привлекательным.Это приводит к меньшему загрязнению по сравнению с кислотными топливными элементами.

Коммерческие перспективы

AFC являются самыми дешевыми в производстве топливными элементами. Катализатор, необходимый для электродов, может представлять собой любой из множества различных химических веществ, которые недороги по сравнению с теми, которые необходимы для других типов топливных элементов.

Коммерческие перспективы AFC во многом связаны с недавно разработанной версией этой технологии с биполярными пластинами, значительно превосходящей по характеристикам более ранние версии с одной пластиной.

Первый в мире корабль на топливных элементах « Гидра » использовал систему AFC с полезной мощностью 5 кВт.

Еще одной недавней разработкой является твердотельный щелочной топливный элемент, в котором используется твердая анионообменная мембрана вместо жидкого электролита . Это решает проблему отравления и позволяет разработать щелочные топливные элементы, способные работать на более безопасных носителях, богатых водородом, таких как жидкие растворы мочевины или комплексы аминов металлов.

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Справочник по топливным элементам: основы, технологии и применение . Чичестер, Англия ; Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. 2003. ISBN 978-0-471-49926-8 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Ферридей, ТБ; Миддлтон, Питер Хью (май 2021 г.). «Технология щелочных топливных элементов – обзор» . Международный журнал водородной энергетики . 46 (35): 18489–18510. doi : 10.1016/j.ijhydene.2021.02.203 .

Внешние ссылки

Разработчики

[fuelcellhandbook-1] Перейти обратно: ^а ^б Справочник по топливным элементам: основы, технологии и применение . Чичестер, Англия ; Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. 2003. ISBN 978-0-471-49926-8 .

[Ferriday2021-2] Перейти обратно: ^а ^б Ферридей, ТБ; Миддлтон, Питер Хью (май 2021 г.). «Технология щелочных топливных элементов – обзор» . Международный журнал водородной энергетики . 46 (35): 18489–18510. doi : 10.1016/j.ijhydene.2021.02.203 .

[1]

[2]

v т и Топливные элементы
По электролиту	Щелочной топливный элемент Топливный элемент с расплавленным карбонатом Топливный элемент на фосфорной кислоте Топливный элемент с протонообменной мембраной Твердооксидный топливный элемент
По топливу	Боргидридный топливный элемент прямого действия Прямоугольный топливный элемент Топливный элемент с прямым этанолом Топливный элемент с прямым метанолом Топливный элемент муравьиной кислоты Металлогидридный топливный элемент Топливный элемент на реформированном метаноле Цинк-воздушная батарея
Биотопливные элементы	Ферментативный биотопливный элемент Микробный топливный элемент
Другие	Голубая энергия Электрогальванический топливный элемент Проточная батарея Мембранный электрод в сборе Безмембранные топливные элементы Фотоэлектрохимическая ячейка Протонообменная мембрана Протонный керамический топливный элемент Регенеративный топливный элемент Твердооксидный электролизер Унифицированный регенеративный топливный элемент
Водород	Экономика Станция Хранилище Транспортное средство
Глоссарий