Щелочной топливный элемент - Alkaline fuel cell

Схема щелочного топливного элемента:
1. Водород
2. Электронный поток.
3. Загрузить
4. Кислород
5. Катод
6. Электролит
7. Анод
8. Вода
9. Ионы гидроксида.

В щелочной топливный элемент (AFC), также известный как Бекон топливный элемент в честь его британского изобретателя, Фрэнсис Томас Бэкон, является одним из самых развитых топливная ячейка технологии. 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 достигает 70%.

НАСА использует щелочные топливные элементы с середины 1960-х годов, в Аполлон -серии миссий и на Космический шатл.

Химия

Топливный элемент производит энергию через окислительно-восстановительная реакция между водород и кислород. На анод, водород окисляется по реакции:

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

производство воды и высвобождение электронов. Электроны проходят через внешнюю цепь и возвращаются в катод, восстанавливающий кислород в реакции:

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

производство гидроксид ионы. Чистая реакция потребляет одну молекулу кислорода и две молекулы водорода для образования двух молекул воды. Электричество и тепло образуются как побочные продукты этой реакции.

Электролит

Два электрода разделены пористой матрицей, насыщенной водным щелочным раствором, например гидроксид калия (КОН). Водные щелочные растворы не удаляют диоксид углерода (CO₂), поэтому топливный элемент может "отравиться" из-за превращения КОН в карбонат калия (K₂CO₃). Из-за этого щелочные топливные элементы обычно работают на чистом кислороде или, по крайней мере, на очищенном кислороде. воздуха и будет включать в конструкцию «скруббер» для очистки как можно большего количества диоксида углерода. Поскольку требования к производству и хранению кислорода делают АЧХ на чистом кислороде дорогими, мало компаний, которые активно развивают эту технологию. Однако в исследовательском сообществе ведутся споры о том, является ли отравление постоянным или обратимым. Основные механизмы отравления - это закупорка пор катода калием₂CO₃, что необратимо, и снижение ионной проводимости электролита, которое может быть обратимым путем возврата КОН к его исходной концентрации. Альтернативный метод включает простую замену KOH, который возвращает ячейку к исходному состоянию.
Когда диоксид углерода вступает в реакцию с электролитом, образуются карбонаты. Карбонаты могут осаждаться на порах электродов, которые в конечном итоге блокируют их. Было обнаружено, что АЧХ, работающие при более высоких температурах, не показывают снижения производительности, тогда как примерно при комнатной температуре было показано значительное снижение производительности. Считается, что карбонатное отравление при температуре окружающей среды является результатом низкой растворимости K₂CO₃ около комнатной температуры, что приводит к осаждению K₂CO₃ который блокирует поры электрода. Кроме того, эти осадители постепенно снижают гидрофобность защитного слоя электрода, что приводит к структурной деградации и затоплению электрода.

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

${ displaystyle mathrm {2OH} ^ {-} + mathrm {CO} _ {2} longrightarrow mathrm {CO} _ {3} ^ {2 -} + mathrm {H} _ {2} mathrm {O}}$
Образование карбоната истощает ионы гидроксида из электролита, что снижает проводимость электролита и, следовательно, производительность ячейки. Помимо этих объемных эффектов, влияние на водоотведение из-за изменения давления пара и / или изменения объема электролита также может быть вредным. .

Базовые конструкции

Из-за этого отравляющего эффекта существуют два основных варианта AFC: статический электролит и проточный электролит. В статических или иммобилизованных электролитных элементах того типа, который используется в космических кораблях «Аполлон» и «Спейс шаттл», обычно используется сепаратор асбеста, насыщенный гидроксидом калия. Производство воды контролируется испарением с анода, как показано выше, что дает чистую воду, 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 (топливный элемент типа ASK или EloFlux). В конструкциях с параллельным потоком электролита образовавшаяся вода остается в электролите, и старый электролит можно заменить на свежий, аналогично замене масла в автомобиле. Для обеспечения этого потока между электродами требуется больше места, и это приводит к увеличению сопротивления ячейки, уменьшению выходной мощности по сравнению с конструкциями с иммобилизованным электролитом. Еще одна проблема для технологии заключается в том, насколько серьезна проблема постоянного блокирования катода из-за K₂CO₃; в некоторых опубликованных отчетах указаны 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, заключающееся в низкой стоимости конструкции и заменяемом электролите, но до сих пор было продемонстрировано только использование кислорода.

Электроды имеют двухслойную структуру: активный слой электрокатализатора и гидрофобный слой. Активный слой состоит из органической смеси, которая измельчается, а затем прокатывается при комнатной температуре с образованием сшитого самонесущего листа. Гидрофобная структура предотвращает утечку электролита в каналы потока реагирующего газа и обеспечивает диффузию газов к месту реакции. Затем два слоя прижимают к проводящей металлической сетке, и процесс спекания завершается.

Другие варианты щелочного топливного элемента включают металлогидридный топливный элемент и топливный элемент с прямым боргидридом.

Преимущества перед кислотными топливными элементами

Щелочные топливные элементы работают между температурой окружающей среды и 90 ° C с электрическим КПД выше, чем у топливных элементов с кислотным электролитом, например: топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC), твердооксидные топливные элементы, и топливные элементы на основе фосфорной кислоты. Из-за щелочной химии кинетика реакции восстановления кислорода (ORR) на катоде намного более легкая, чем в кислых ячейках, что позволяет использоватьблагородные металлы, такие как утюг, кобальт, или же никель, на аноде (где топливо окисляется); и более дешевые катализаторы, такие как серебро или утюг фталоцианины на катоде,^[1] из-за низкого перенапряжения связана с электрохимический реакции на высоком pH.

Щелочная среда также ускоряет окисление таких топлив, как метанол, что делает их более привлекательными. Меньше загрязнения по сравнению с кислотными топливными элементами.

Коммерческие перспективы

AFC являются самыми дешевыми в производстве топливными элементами. Катализатор, необходимый для электродов, может быть любым из ряда различных химикатов, которые являются недорогими по сравнению с теми, которые требуются для других типов топливных элементов.

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

Первый в мире корабль на топливных элементах Гидра, использовала систему AFC с полезной мощностью 5 кВт.

Еще одна недавняя разработка - твердотельный щелочной топливный элемент, использующий твердый анионообменная мембрана вместо жидкого электролита. Это решает проблему отравления и позволяет разрабатывать щелочные топливные элементы, способные работать на более безопасных носителях, богатых водородом, таких как жидкие растворы мочевины или комплексы аминов металлов.

Смотрите также

внешняя ссылка

Разработчики

[1] Редакция Рейтер (14 сентября 2007 г.). «Топливный элемент, не содержащий платины, разработан в Японии». Рейтер. Получено 26 февраля 2016.

[1]

Топливные элементы
Электролитом	Щелочной топливный элемент Топливный элемент с расплавленным карбонатом Топливный элемент на основе фосфорной кислоты Топливный элемент с протонообменной мембраной Твердооксидный топливный элемент
По топливу	Топливный элемент с прямым этанолом Топливный элемент с прямым метанолом Топливный элемент с муравьиной кислотой Реформированный метанольный топливный элемент Топливный элемент с прямым углеродом Цинково-воздушная батарея Металлогидридный топливный элемент Боргидридный топливный элемент прямого действия
Биотопливные элементы	Ферментативный биотопливный элемент Микробный топливный элемент
Другие	Голубая энергия Электро-гальванический топливный элемент Проточная батарея Фотоэлектрохимическая ячейка Регенеративный топливный элемент Твердооксидный электролизер Унифицированный регенеративный топливный элемент Протонообменная мембрана Мембранный электрод в сборе Безмембранные топливные элементы Протонно-керамический топливный элемент
Водород	Экономика Место хранения Станция Средство передвижения
Глоссарий