Топливный элемент муравьиной кислоты
Топливные элементы с муравьиной кислотой ( топливные элементы с прямой муравьиной кислотой или DFAFC ) представляют собой подкатегорию топливных элементов с прямой подачей жидкости (DLFC), в которых жидкое топливо непосредственно окисляется (электрохимически) на аноде, а не реформируется с образованием водорода. Топливные элементы на основе муравьиной кислоты представляют собой многообещающую систему энергоснабжения с точки зрения высокой объемной плотности энергии, теоретической энергоэффективности и теоретического напряжения холостого хода. Они также способны преодолеть определенные проблемы, присущие традиционным с водородом (H 2 топливным элементам ), такие как безопасное обращение, хранение и транспортировка H 2 .
Существует 3 основных типа DFAFC:
- Активные DFAFC, в которых насос подает жидкое топливо на анод и кислород в сжатом воздухе на катод.
- Активные воздуходышащие DFAFC, в которых катод подвергается воздействию кислорода, присутствующего в окружающем воздухе.
- Пассивные воздуходышащие DFAFC, в которых нет механических компонентов, впрыскивающих топливо и кислород в ячейку.
Подача топлива и воздуха в ячейку увеличивает ее энерговыработку за счет цены и размера/портативности. [1]
Сегодня основные области применения DFAFC включают небольшую портативную электронику, медицинские диагностические устройства, а также более крупные устройства с фиксированной мощностью и электромобили.
Запасы топлива
[ редактировать ]FA обычно получают путем взаимодействия CO с метанолом в присутствии сильного основания с последующим гидролизом метилформиата, гидролизом формамида и ацидолизом солей формиата. Тем не менее, ТВС также можно устойчиво производить путем прямого электровосстановления CO 2 , что нейтрализует воздействие производства CO 2 из самого топливного элемента, снижая воздействие на окружающую среду. Реакции следующие:
СО 2 + 2Н + + 2е - → ОХОО + (в кислой среде)
СО 2 + 2Н + + 2е - → HCOOH (в нейтральной/щелочной среде) [1]
Сравнение DFAFC с другими источниками энергии
[ редактировать ]Хотя несколько видов топлива были опробованы для DLFC, наибольший интерес вызвала муравьиная кислота (FA) из-за ее полезных характеристик, таких как высокая объемная плотность энергии (53 г H 2 /л). [2] ), напряжение холостого хода (1,48 В [3] ), высокая теоретическая энергоэффективность (58% [2] ). Кроме того, хранение муравьиной кислоты проще и безопаснее, чем хранение чистого водорода , и ФК не нужно хранить при высоких давлениях и/или низких температурах.
Подобно метанолу , FA представляет собой небольшую органическую молекулу, подаваемую непосредственно в топливный элемент, что устраняет необходимость сложного каталитического риформинга . Однако по сравнению с метанолом он имеет меньшую токсичность, лучшую кинетику окисления и более высокую эффективность топливных элементов, поскольку муравьиная кислота не проникает через полимерную мембрану. [4] Из-за низкой склонности к переходу FA может использоваться в более высоких концентрациях, чем метанол, что смягчает недостаток более низкой объемной плотности энергии (4,4 кВтч/дм3). 3 против 2,13 кВтч/дм 3 ). [5]
Сравнение DFAFC с элементами на чистом водороде, метаноле и бензине по нескольким характеристикам представлено в таблице ниже:
| Топливо | Цена (долл. США/кг) | Плотность энергии (кВт/дм 3 ) | Рабочая температура (°С) | Давление хранения (бар) |
|---|---|---|---|---|
| НО | 0.7 | 2.13 [6] | 20–60 (ДФФК) [7] | |
| Ч 2 | 2.6 - 5.1 [8] | 0.53 [9] | 150–200 (АФК) [10] | 700 [11] |
| Метанол | 0.2 - 0.4 [12] | 4.4 - 4.9 [5] | 30–90 (ДМФК) [13] | |
| Бензин | 2,5–3,5 (долларов США/галлон) | 13 [14] |
Проблемы безопасности FA
[ редактировать ]Муравьиная кислота в концентрации 85% является легковоспламеняющейся, а разбавленная муравьиная кислота включена в список пищевых добавок Управления по контролю за продуктами и лекарствами США. Основная опасность муравьиной кислоты заключается в контакте кожи или глаз с концентрированной жидкостью или парами. [4]
Реакции
[ редактировать ]DFAFC преобразуют муравьиную кислоту и кислород в углекислый газ и воду для производства энергии. Окисление муравьиной кислоты происходит на аноде на слое катализатора. Образуется углекислый газ и протоны (H + ) проходят через полимерную мембрану для реакции с кислородом на слое катализатора, расположенном на катоде . Электроны проходят через внешнюю цепь от анода к катоду, обеспечивая питание внешнего устройства.
Ниже представлены прямые анодные, катодные и суммарные реакции DFAFC: [1]
- Анод: HCOOH → CO 2 + 2 H + + 2 и −
- И 0 = -0,25 В (относительно ОНА)
- Катод: 1/2О 2 + 2 Н + + 2 и − → Н 2 О
- И 0 = 1,23 В (относительно ОНА)
- Чистая реакция: HCOOH + 1/2 O 2 → CO 2 + H 2 O
- И 0 = 1,48 В (относительно ОНА)
Альтернативные пути реакции
[ редактировать ]Хотя механизм реакции, описанный в приведенном выше разделе, обычно используется для простых объяснительных целей, химические пути на самом деле более сложны и находятся в центре большинства исследований ДФАФК с целью оптимизации их эффективности. Вредное воздействие и отравление, вызванное определенными путями, можно смягчить за счет использования катализаторов правильной формы и морфологии, таких как Pt и/или платиновые сплавы. [4]
катод
[ редактировать ]Исследована реакция восстановления кислорода (ОРВ), протекающая на катоде. Это может происходить двумя разными путями: один включает перенос четырех электронов, а другой - два. В первом случае образуется вода (H 2 O), а во втором — перекись водорода (H 2 O 2 ). Радикалы перекиси водорода оказывают вредное воздействие на мембранный сепаратор, поэтому следует избегать их образования. [4]
Анод
[ редактировать ]Механизм электроокисления муравьиной кислоты (ФЭО) на аноде исследовался безрезультатно уже почти полвека. Хотя детали все еще обсуждаются, общепринятым является механизм FAEO, в котором механизм окисления состоит из двух параллельных путей. Прямой путь протекает через реакцию дегидрирования HCOOH, тогда как непрямой путь протекает через реакцию дегидратации с образованием адсорбированного CO в качестве промежуточного продукта, который затем окисляется до CO 2 .
Прямой путь: HCOOH → Активное интермедиат → CO 2 + 2H. + + 2е −
Косвенный путь: HCOOH → CO ad + H 2 O → CO 2 + 2H. + + 2е −
Непрямой путь окисления происходит через реакцию дегидратации и временно образует отравляющие промежуточные соединения COads, что снижает эффективность топливного элемента. [15]
Катализаторы, используемые в DFAFC
[ редактировать ]катод
[ редактировать ]Важными характеристиками катализатора DFAFC на катоде являются, главным образом, высокая активность по отношению к ORR и толерантность к FA, чтобы предотвратить падение эффективности ячейки после возможного кроссинговера FA. Предпочтительным материалом является платина (Pt) поверх композитных подложек, таких как нановолокна TiO 2 /C и CNx. Альтернативные катализаторы включают сплавы иридия (Ir) и Ir, а также кобальта (Co) и железа (Fe), нанесенные на легированные азотом углеродные нанотрубки (УНТ). [4]
Анод
[ редактировать ]Катализаторы на основе платины (Pt) и палладия (Pd) являются двумя популярными вариантами анодов для DFAFC.
Морфология поверхности частиц платины влияет на реакцию, поскольку ступеньки и террасы способствуют желаемому прямому пути, тогда как плоские частицы приводят к непрямому (нежелательному) пути.
В целом, палладиевые катализаторы обладают более высокой устойчивостью к CO, быстрее катализируют ЖК в диоксид углерода, а их удельная мощность выше, чем у их платиновых аналогов. Их недостатком является образование агломератов и быстрая потеря функции. [4]
История
[ редактировать ]Во время предыдущих исследований исследователи отвергли муравьиную кислоту как практическое топливо из-за высокого перенапряжения, показанного в экспериментах: это означало, что реакция оказалась слишком сложной, чтобы ее можно было осуществить на практике. Однако в 2005—2006 годах другие исследователи (в частности, Ричарда Мэзеля группа из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейне ) обнаружили, что причиной низкой производительности было использование платины в качестве катализатора , как это принято в большинстве другие типы топливных элементов. Они утверждают, что, используя вместо этого палладий , они добились лучших характеристик, чем эквивалентные топливные элементы с прямым метаноловым топливом . [15] По состоянию на апрель 2006 г. Текион [16] владела эксклюзивной лицензией на технологию топливных элементов DFAFC с использованием мембран PEM и муравьинокислотного топлива от Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн и с инвестициями Motorola , [17] к концу 2007 года сотрудничал с BASF в разработке и производстве силовых агрегатов. [18] но разработка, похоже, застопорилась, и почти вся информация была удалена с веб-сайта Tekion до 24 апреля 2010 г.
Neah Power Systems, Inc. и Silent Falcon UAS Technologies работали вместе над интеграцией технологии топливных элементов с риформером муравьиной кислоты в беспилотную воздушную систему (UAS) Silent Falcon, также известную как «дрон». [19] [20]
В 2018 году была опубликована работа, посвященная проблеме требования высокого перенапряжения с помощью золотых платиновых катализаторов с одним атомом. [21]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Ма, Женни; Легран, Ульрих; Пахия, Эргис; Таварес, Джейсон Р.; Боффито, Дарья К. (20 января 2021 г.). «От CO 2 до муравьинокислотных топливных элементов» . Исследования в области промышленной и инженерной химии . 60 (2): 803–815. doi : 10.1021/acs.iecr.0c04711 . ISSN 0888-5885 . S2CID 230551252 .
- ^ Jump up to: а б Эппингер, Йорг; Хуан, Го-Вэй (13 января 2017 г.). «Муравьиная кислота как водородный энергоноситель» . Энергетические письма ACS . 2 (1): 188–195. doi : 10.1021/acsenergylett.6b00574 . hdl : 10754/623086 . ISSN 2380-8195 .
- ^ Эльнабави, Ахмед О.; Херрон, Джеффри А.; Лян, Чжисю; Аджич, Радослав Р.; Маврикакис, Манос (19 апреля 2021 г.). «Электроокисление муравьиной кислоты на монослое Pt или Pd на монокристаллах переходных металлов: анализ структурной чувствительности из первых принципов» . АКС-катализ . 11 (9): 5294–5309. дои : 10.1021/acscatal.1c00017 . ISSN 2155-5435 . ОСТИ 1835132 . S2CID 234865108 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Бхаскаран, Рашми; Авраам, Бинси Джордж; Четти, Рагурам (март 2022 г.). «Последние достижения в области электрокатализаторов, механизма и архитектуры ячеек для топливных элементов прямого действия на муравьиной кислоте» . ПРОВОДА Энергетика и окружающая среда . 11 (2). дои : 10.1002/wene.419 . ISSN 2041-8396 . S2CID 244608995 .
- ^ Jump up to: а б Маслан, Нур-Хидая; Росли, Масли Ирван; Масдар, Мохд Шахбудин (ноябрь 2019 г.). «Трехмерное CFD-моделирование топливного элемента с прямой муравьиной кислотой» . Международный журнал водородной энергетики . 44 (58): 30627–30635. doi : 10.1016/j.ijhydene.2019.01.062 . ISSN 0360-3199 . S2CID 145950088 .
- ^ Инь, Мин; Ли, Цинфэн; Йенсен, Йенс Олуф; Хуан, Юнцзе; Климанн, Ларс Н.; Бьеррум, Нильс Дж.; Син, Вэй (декабрь 2012 г.). «Карбид вольфрама промотировал электрокатализаторы Pd и Pd – Co для электроокисления муравьиной кислоты» . Журнал источников энергии . 219 : 106–111. Бибкод : 2012JPS...219..106Y . дои : 10.1016/j.jpowsour.2012.07.032 . ISSN 0378-7753 . S2CID 97664243 .
- ^ Хун, Пинг; Чжун, Илян; Ляо, Шиджун; Цзэн, Цзяньхуан; Лу, Сюэй; Чен, Вэй (июль 2011 г.). «4-элементная миниатюрная батарея топливных элементов прямого действия на муравьиной кислоте с независимым топливным резервуаром: исследование конструкции и характеристик» . Журнал источников энергии . 196 (14): 5913–5917. Бибкод : 2011JPS...196.5913H . дои : 10.1016/j.jpowsour.2011.03.014 . ISSN 0378-7753 .
- ^ Джеймс, Брайан Дэвид; ДеСантис, Дэниел Аллан; Саур, Женевьева (30 сентября 2016 г.). «Итоговый отчет: Анализ затрат на пути производства водорода (2013–2016 гг.)» . дои : 10.2172/1346418 . ОСТИ 1346418 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ «Интеллектуальная энергия, Suzuki представляет скутер на топливных элементах на выставке в Токио» . Бюллетень по топливным элементам . 2009 (12): 3 декабря 2009 г. doi : 10.1016/s1464-2859(09)70382-7 . ISSN 1464-2859 .
- ^ Абдереззак, Билал (2018), «Введение в водородную технологию» , «Введение в явления переноса в топливном элементе PEM» , Elsevier, стр. 1–51, doi : 10.1016/b978-1-78548-291-5.50001-9 , ISBN 9781785482915 , получено 16 ноября 2022 г.
- ^ Кан, Джи Ын; Браун, Тим; Рекер, Уилл В.; Самуэльсен, Дж. Скотт (февраль 2014 г.). «Заправка автомобилей на водородных топливных элементах на 68 предлагаемых заправочных станциях в Калифорнии: измерение отклонений от ежедневного режима поездок» . Международный журнал водородной энергетики . 39 (7): 3444–3449. doi : 10.1016/j.ijhydene.2013.10.167 . ISSN 0360-3199 . S2CID 54986038 .
- ^ Институт метанола. org/метанол-цена-поставка-спрос/ «Цена на метанол» .
{{cite web}}: Проверять|url=ценность ( помощь ) - ^ Себастьян, Давид; Бальо, Винченцо; Арико, Антонино С.; Серов, Алексей; Атанасов, Пламен (март 2016 г.). «Анализ характеристик катализатора на основе металлов неплатиновой группы на основе железо-аминоантипирина для топливных элементов прямого метанола» . Прикладной катализ Б: Экология . 182 : 297–305. дои : 10.1016/j.apcatb.2015.09.043 . ISSN 0926-3373 .
- ^ Ся, К. (2018). «Литий-кислородная батарея высокой плотности энергии на основе обратимого четырехэлектронного преобразования в оксид лития» . Наука . 361 (6404): 777–781. Бибкод : 2018Sci...361..777X . дои : 10.1126/science.aas9343 . ПМИД 30139868 . S2CID 52073409 .
- ^ Jump up to: а б С. Ха, Р. Ларсен и Р. И. Мазель (2005). «Характеристика характеристик нанокатализатора Pd/C для топливных элементов прямого действия на муравьиной кислоте». Журнал источников энергии . 144 (1): 28–34. Бибкод : 2005JPS...144...28H . дои : 10.1016/j.jpowsour.2004.12.031 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ "Дом" . tekion.com .
- ^ «Motorola инвестирует в запуск топливных элементов» . 66mobile.com. 13 ноября 2005 г. Проверено 12 марта 2014 г.
- ^ «Топливный элемент муравьиной кислоты получает импульс» . Химическая обработка. 27 апреля 2006 г. Проверено 12 марта 2014 г.
- ^ Ноябрь/декабрь 2014 г., выпуск журнала Aerospace Manufacturing and Design , onlineamd.com. [ нужна полная цитата ]
- ^ «Партнеры Neah Power интегрируют топливные элементы в БПЛА | UASMagazine.com» . uasmagazine.com . Проверено 19 августа 2022 г.
- ^ Чжан, Наньфэн; Чен, Шаовей; Алмархун, Алдалбахи, Али; Чжао, Сяоцзин; Деминг, Кристофер Ли; З.Ю., Пол Н. (1 ноября 2018 г.). платиновые электрокатализаторы» (PDF) . Nature Materials 17 ( 11): 1033–1039. Бибкод : 2018NatMa..17.1033D . « Золотые . / .PMID 30250176 . S2CID 205566105 s41563-018-0167-5