Топливный элемент с прямым метанолом
Топливные элементы с прямым метанолом или DMFC представляют собой подкатегорию протонообменных топливных элементов, в которых метанол в качестве топлива используется . Их главным преимуществом является простота транспортировки метанола, энергоемкой, но достаточно стабильной жидкости при любых условиях окружающей среды.
В то время как термодинамическая теоретическая эффективность преобразования энергии DMFC составляет 97%; [1] настоящее время [ когда? ] достижимая эффективность преобразования энергии для работающих ячеек достигает 30% [2] – 40%. [3] Ведутся интенсивные исследования перспективных подходов к повышению операционной эффективности. [4]
Более эффективная версия топливного элемента прямого действия могла бы сыграть ключевую роль в теоретическом использовании метанола в качестве общей среды для переноса энергии в гипотетической экономике метанола .
Ячейка
[ редактировать ]В отличие от метаноловых топливных элементов непрямого действия , где метанол реагирует с водородом посредством парового риформинга , в DMFC используется раствор метанола (обычно около 1 М , т.е. около 3% по массе) для переноса реагента в элемент; обычные рабочие температуры находятся в диапазоне от 50 до 120 ° C (от 122 до 248 ° F), где высокие температуры обычно возникают под давлением.Сами по себе DMFC более эффективны при высоких температурах и давлениях, но эти условия в конечном итоге вызывают так много потерь во всей системе, что преимущество теряется; [5] поэтому в настоящее время предпочтительны конфигурации с атмосферным давлением.
Из-за кроссовера метанола, явления, при котором метанол диффундирует через мембрану, не вступая в реакцию, метанол подается в виде слабого раствора: это существенно снижает эффективность, поскольку кроссоверный метанол, достигнув воздушной стороны (катода), сразу же реагирует с воздухом; хотя точная кинетика обсуждается, результатом является снижение напряжения элемента. Кроссинговер остается основным фактором неэффективности, и часто половина метанола теряется в результате кроссовера. Переход метанола и/или его эффекты могут быть смягчены путем (а) разработки альтернативных мембран (например, [6] [7] ), (b) улучшение процесса электроокисления в слое катализатора и улучшение структуры слоев катализатора и газодиффузионных слоев (например, [8] ) и (c) оптимизацию конструкции поля потока и мембранно-электродного узла (МЭА), чего можно достичь путем изучения распределения плотности тока (например, [9] ).
Другие проблемы включают управление углекислым газом, образующимся на аноде , вялое динамическое поведение и способность удерживать воду в растворе.
Единственными отходами топливных элементов этих типов являются углекислый газ и вода.
Приложение
[ редактировать ]Существующие DMFC ограничены в мощности, которую они могут производить, но все же могут хранить большое количество энергии в небольшом пространстве. Это означает, что они могут производить небольшое количество энергии в течение длительного периода времени. Это делает их плохо подходящими для привода больших транспортных средств (по крайней мере, напрямую), но идеальными для небольших транспортных средств, таких как вилочные погрузчики и буксиры. [10] и потребительские товары, такие как мобильные телефоны , цифровые фотоаппараты или ноутбуки . Военное применение DMFC является новым применением, поскольку они имеют низкий уровень шума и тепловые характеристики, а также не имеют токсичных выбросов. Эти приложения включают в себя питание переносного тактического оборудования, зарядные устройства аккумуляторов, а также автономное питание для испытательных и учебных приборов. Доступны агрегаты с выходной мощностью от 25 Вт до 5 киловатт с продолжительностью работы до 100 часов между заправками. DMFC особенно подходит для выходной мощности до 0,3 кВт. При выходной мощности более 0,3 кВт метанольный топливный элемент непрямого действия обеспечивает более высокий КПД и более экономичен. [11] Замерзание жидкой смеси метанола и воды в дымовой трубе при низкой температуре окружающей среды может оказаться проблематичным для мембраны ДМТЭ (в отличие от метанолового топливного элемента непрямого действия).
Метанол
[ редактировать ]Метанол представляет собой жидкость с температурой от -97,6 до 64,7 ° C (от -143,7 до 148,5 ° F) при атмосферном давлении.Объемная плотность энергии метанола на порядок превышает даже сильно сжатый водород , примерно в два раза больше жидкого водорода и в 2,6 раза выше, чем литий-ионных аккумуляторов . [ когда? ] Плотность энергии на массу в десять раз меньше, чем у водорода, но в 10 раз выше, чем у литий-ионных аккумуляторов. [12]
Метанол малотоксичен и легко воспламеняется . Однако в ноябре 2005 года Комиссия по опасным грузам (DGP) Международной организации гражданской авиации (ИКАО) проголосовала за разрешение пассажирам провозить и использовать микротопливные элементы и топливные картриджи с метанолом на борту самолетов для питания портативных компьютеров и других бытовых электронных устройств.24 сентября 2007 года Министерство транспорта США выступило с предложением разрешить пассажирам авиакомпаний брать на борт картриджи топливных элементов. [13] 30 апреля 2008 г. Министерство транспорта издало окончательное постановление, разрешающее пассажирам и экипажу иметь при себе одобренный топливный элемент с установленным картриджем с метанолом и до двух дополнительных запасных картриджей. [14] Стоит отметить, что максимальный объем картриджа с метанолом в 200 мл, разрешенный окончательным постановлением, вдвое превышает лимит в 100 мл для жидкостей, разрешенный Администрацией транспортной безопасности в ручной клади. [15]
Реакция
[ редактировать ]DMFC основан на окислении метанола углекислого на слое катализатора с образованием газа . Вода расходуется на аноде и выделяется на катоде . Протоны (H + ) транспортируются через протонообменную мембрану, часто изготовленную из нафиона , к катоду, где они реагируют с кислородом с образованием воды. Электроны транспортируются по внешней цепи от анода к катоду, обеспечивая питание подключенных устройств.
Полуреакции :
| Уравнение | |
|---|---|
| Анод | окисление |
| катод | снижение |
| Общая реакция | окислительно-восстановительная реакция |
Метанол и вода адсорбируются на катализаторе, обычно состоящем из частиц платины и рутения , и теряют протоны до образования углекислого газа. вода расходуется на аноде Поскольку в реакции , чистый метанол нельзя использовать без подачи воды либо посредством пассивного транспорта, такого как обратная диффузия ( осмос ), либо активного транспорта , такого как перекачивание. Потребность в воде ограничивает энергетическую плотность топлива.
Платина используется в качестве катализатора обеих полуреакций. Это способствует потере потенциала напряжения ячейки, поскольку любой метанол, присутствующий в катодной камере, окисляется. Если бы можно было найти другой катализатор восстановления кислорода, проблема перехода метанола, вероятно, была бы значительно уменьшена. Кроме того, платина очень дорогая и обусловливает высокую стоимость киловатта этих элементов.
Во время реакции окисления метанола образуется окись углерода (CO), которая прочно адсорбируется на платиновом катализаторе, уменьшая количество доступных реакционных центров и, следовательно, производительность электролизера. Добавление других металлов, таких как рутений или золото к платиновому катализатору , имеет тенденцию смягчать эту проблему. Считается, что в случае платиново-рутениевых катализаторов оксофильная природа рутения способствует образованию на его поверхности гидроксильных радикалов , которые затем могут реагировать с окисью углерода, адсорбированной на атомах платины. Вода в топливном элементе окисляется до гидрокси-радикала по следующей реакции: H 2 O → OH• + H. + + и − . Гидрокси-радикал затем окисляет окись углерода с образованием углекислого газа , который выделяется с поверхности в виде газа: CO + OH• → CO 2 + H. + + и − . [16]
Используя эти ОН-группы в полуреакциях, они также выражаются как:
| Уравнение | |
|---|---|
| Анод | окисление |
| катод | снижение |
| Общая реакция | окислительно-восстановительная реакция |
Переходной ток
[ редактировать ]Метанол на анодной стороне обычно находится в слабом растворе (от 1М до 3М), поскольку метанол в высоких концентрациях имеет тенденцию диффундировать через мембрану к катоду, где его концентрация равна нулю, поскольку он быстро поглощается кислородом. Низкие концентрации помогают уменьшить пересечение, но также ограничивают максимально достижимый ток.
Практическая реализация обычно заключается в том, что контур раствора входит в анод, выходит, наполняется метанолом и снова возвращается к аноду. Альтернативно, топливные элементы с оптимизированной структурой могут напрямую питаться растворами метанола высокой концентрации или даже чистым метанолом. [17]
Сопротивление воды
[ редактировать ]Вода в анодном контуре теряется из-за анодной реакции, но главным образом из-за связанного с ней сопротивления воды: каждый протон, образующийся на аноде, увлекает определенное количество молекул воды к катоду. В зависимости от температуры и типа мембраны это число может составлять от 2 до 6.
Вспомогательные агрегаты
[ редактировать ]Топливный элемент с прямым метаноловым топливом обычно является частью более крупной системы, включающей все вспомогательные устройства, обеспечивающие его работу. По сравнению с большинством других типов топливных элементов вспомогательная система DMFC относительно сложна. Основными причинами его сложности являются:
- подача воды вместе с метанолом сделает подачу топлива более затруднительной, поэтому воду придется повторно использовать в контуре;
- CO 2 должен быть удален из потока раствора, выходящего из топливного элемента;
- вода в анодном контуре медленно расходуется за счет реакции и сопротивления; необходимо восстанавливать воду с катодной стороны для поддержания устойчивой работы.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Умит Б. Демирчи (2007). «Обзор: Топливные элементы с прямой подачей жидкости: термодинамические и экологические проблемы». Журнал источников энергии . 169 . дои : 10.1016/j.jpowsour.2007.03.050 .
- ^ Ибрагим Динсер, Кэлин Замфиреску (2014). «4.4.7 Топливные элементы с прямым метанолом». Передовые системы производства электроэнергии . дои : 10.1016/B978-0-12-383860-5.00004-3 .
- ^ Кейт Скотт, Лэй Син (2012). «3.1 Введение». Инженерия топливных элементов . п. 147. дои : 10.1016/B978-0-12-386874-9.00005-1 .
- ^ Паша Маджиди; и др. (1 мая 2016 г.). «Определение эффективности окисления метанола в топливном элементе прямого метанола». Электрохимика Акта . 199 .
- ^ Доул, Х.; Мергель Дж. и Столтен Д.: Управление теплом и мощностью системы топливных элементов с прямым метанолом (DMFC), Журнал Power Sources, 2002, 111, 268-282.
- ^ Вэй, Юншэн; и др. (2012). «Новая мембрана для DMFC - композитная мембрана Na2Ti3O7 Nanotubes/Nafion: исследования характеристик». Международный журнал водородной энергетики . 37 (2): 1857–1864. doi : 10.1016/j.ijhydene.2011.08.107 .
- ^ «Безопасное пространство: улучшение «чистых» метанольных топливных элементов с использованием защитной углеродной оболочки» . Биоинженер.орг . 4 декабря 2020 г. Проверено 30 декабря 2020 г.
- ^ Матар, Саиф; Хунтан Лю (2010). «Влияние толщины слоя катодного катализатора на переход метанола в ДМТЭ». Электрохимика Акта . 56 (1): 600–606. дои : 10.1016/j.electacta.2010.09.001 .
- ^ Альмхейри, Саиф; Хунтан Лю (2014). «Раздельное измерение плотности тока под землей и каналом в топливных элементах прямого метанола». Журнал источников энергии . 246 : 899–905. Бибкод : 2014JPS...246..899A . дои : 10.1016/j.jpowsour.2013.08.029 .
- ^ Завод Nissan в Теннесси будет использовать метанол для сокращения затрат, сообщает ABC News.
- ^ Саймон Арайя, Сэмюэл; Лизо, Винченцо; Цуй, Сяоти; Ли, На; Чжу, Чимин; Сахлин, Саймон Леннарт; Йенсен, Сорен Хойгаард; Нильсен, Мадс Пах; Дорогой, Сорен Кнудсен (2020). «Обзор экономики метанола: путь топливных элементов» . Энергия . 13 (3): 596. дои : 10.3390/en13030596 .
- ^ Эдвардс, ПП; Кузнецов В.Л.; Дэвид, WIF; Брэндон, НП (декабрь 2008 г.). «Водород и топливные элементы: на пути к устойчивому энергетическому будущему». Энергетическая политика . 36 (12): 4356–4362. Бибкод : 2008EnPol..36.4356E . дои : 10.1016/j.enpol.2008.09.036 .
- ^ Министерство транспорта США предлагает одобрить использование топливных элементов в самолетах. Архивировано 11 февраля 2009 г. в Wayback Machine , автором FuelCellToday.
- ^ Опасные материалы: пересмотр требований к транспортировке батарей и устройств с батарейным питанием; и гармонизация с Рекомендациями Организации Объединенных Наций, Международным кодексом морских опасных грузов и Техническими инструкциями Международной организации гражданской авиации . Архивировано 25 июля 2011 г. в Wayback Machine Министерством транспорта США.
- ^ 3-1-1 получает международное признание. Архивировано 9 мая 2008 г. в Wayback Machine администрацией транспортной безопасности США.
- ^ Мотоо, С.; Ватанабэ, М. (1975). «Электролиз ад-атомами, часть II. Усиление окисления метанола на платине ад-атомами рутения». Электрохимия и межфазная электрохимия . 60 : 267–273.
- ^ Ли, Сянлинь; Фагри. «Амир». Журнал источников энергии . 226 : 223–240. дои : 10.1016/j.jpowsour.2012.10.061 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Мерхофф, Генри и Хельбиг, Питер. Разработка и внедрение топливного элемента с прямым метанолом; Журнал ITEA , март 2010 г.