Боргидридный топливный элемент прямого действия
Топливные элементы с прямым борогидридом (DBFC) представляют собой подкатегорию щелочных топливных элементов , которые напрямую питаются боргидридом натрия или боргидридом калия в качестве топлива, а также воздухом / кислородом. [1] или перекись водорода [2] в качестве окислителя. DBFC являются относительно новыми типами топливных элементов, которые в настоящее время находятся на стадии разработки и привлекательны своим высоким эксплуатационным потенциалом по сравнению с другими типами топливных элементов. Недавно DBFC, которые конкурируют с топливными элементами с протонообменной мембраной (PEMFC) по пиковой мощности, но работают при удвоенном напряжении. появились сообщения о [3]
Химия
[ редактировать ]Используется боргидрид натрия. [4] с более традиционными системами водородных топливных элементов в качестве средства хранения водорода. Водород можно регенерировать для топливного элемента путем каталитического разложения боргидрида водой, включая успешную гидратацию синтетической мочой:
- NaBH 4 + 2H 2 O → NaBO 2 + 4H 2
Топливные элементы с прямым борогидридом разлагают и окисляют боргидрид напрямую, минуя производство водорода и даже производя немного более высокий выход энергии: [5]
- Катод : 2O 2 + 4H 2 O + 8e − → 8ОН − (И 0 = +0,4 В )
- Анод : NaBH 4 + 8OH − → NaBO 2 + 6H 2 O + 8e − (И 0 = -1.24 V)
- Всего Е 0 = +1,64 В
Упрощенная реакция:
- NaBH 4 + 2O 2 → NaBO 2 + 2H 2 O + Электричество
Рабочая температура топливного элемента прямого действия на основе боргидрида натрия составляет 70 ° C (158 ° F).
Преимущества
[ редактировать ]DBFC можно производить дешевле, чем традиционные топливные элементы, поскольку им не нужны дорогие платиновые катализаторы. Кроме того, они имеют более высокую удельную мощность . Высокое рабочее напряжение DBFC уменьшает количество ячеек (в последовательной цепи ), необходимых в батарее для достижения желаемого номинального напряжения, и, таким образом, значительно снижает стоимость батареи. [3]
Недостатки
[ редактировать ]К сожалению, DBFC производят некоторое количество водорода в результате побочной реакции NaBH 4 с водой, нагретой топливным элементом. Этот водород можно либо отводить в выхлопную систему, либо подавать в обычный водородный топливный элемент. Любой топливный элемент будет производить воду, и воду можно использовать повторно, чтобы обеспечить более высокие концентрации NaBH 4 .
Что еще более важно, процесс производства электроэнергии с помощью DBFC не так легко обратим. Например, после того как боргидрид натрия (NaBH 4 ) высвободил водород и окислился, продуктом является NaBO 2 ( метаборат натрия ). Метаборат натрия можно гидрогенизировать обратно в борогидрид натрия с помощью нескольких различных методов, некоторые из которых теоретически не требуют ничего, кроме воды, электричества или тепла. Однако эти методы все еще находятся в активной разработке. По состоянию на 30 июня 2010 г. было исследовано множество патентов, утверждающих, что эффективное преобразование метабората натрия в боргидрид натрия, но ни один из них не был подтвержден - текущая эффективность «рециркуляции гидрида бора», по-видимому, значительно ниже 1%, что непригодно для подзарядка автомобиля. [6]
Расходы
[ редактировать ]Прогнозируемые цены на топливо для массового производства составляют всего 5 долларов США за кг, что соответствует стоимости углеводородного топлива. [7]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Амендола С.С., Оннеруд П., Келли М., Петилло П., Шарп-Голдман С.Л. и Биндер М. (1999) «Новый борогидридно-воздушный элемент с высокой плотностью мощности», J. Power Sources, 84, стр. 130–133.
- ^ Чоудхури, Северная Каролина; Раман, РК; Сампат, С.; Шукла А.К. Щелочной прямой боргидридный топливный элемент с перекисью водорода в качестве окислителя. Дж. Источники энергии 2005, 143, 1-8.
- ^ Перейти обратно: а б Ван, Чжунъян; Паррондо, Хавьер; Он, Ченг; Шанкарасубраманиан, Шрихари; Рамани, Виджай (апрель 2019 г.). «Эффективные микромасштабные биполярные интерфейсы с поддержкой градиента pH в борогидридных топливных элементах прямого действия». Энергия природы . 4 (4): 281–289. Бибкод : 2019NatEn...4..281W . дои : 10.1038/s41560-019-0330-5 . ISSN 2058-7546 . S2CID 139154235 .
- ^ Передовые системы топливных элементов на основе химических гидридов для портативных военных применений, Protonex Technology Corporation (2006)
- ^ Ма, Чоудхури, Сахай - Всесторонний обзор борогидридных топливных элементов прямого действия.
- ^ Заключительный отчет: Электрохимические системы хранения водорода, Макдональд, 2010 г.
- ^ Сюзанна В. Линехан; Артур а. Подбородок; Натан т. Аллен; Роберт Баттерик; Натан т. Кендалл; я. Лео Клавитер; Фрэнсис Дж. Липецкий; Дин м. Миллар; Дэвид ок. Молцан; Сэмюэл Дж. ноябрь; Пуджа Джайн; Сара Надо; Скотт Манкрони (2010). «Недорогие предшественники новых материалов для хранения водорода» . Департамент энергетики Центра передового опыта по хранению химического водорода . дои : 10.2172/1022594 . ОСТИ 1022594 .