Топливные
элементы с
полимерной
электролитной
мембраной – PEMFC
|
Топливные элементы с полимерной электролитной мембраной также называют топливными элементами с протонообменной мембраной (PEFC). Как это следует из названия, в таких топливных элементах в качестве электролита используется твердополимерная мембрана, в которой осуществляется транспорт протонов от анода к катоду. Большинство мембран состоят из сульфофлуополимера, например из политетрафлуороэтилена (PTFE), который химически инертен в восстановительных и окислительных средах. В большинстве случаев материал мембраны ограничивает рабочую температуру мембраны. Максимальная рабочая температура равна, как правило, 120-130°С для PTFE мембран, но может достигать порядка 200°С для других типов мембран, например для мембраны из полибензимидазола (PBI). Из-за низкой рабочей температуры оказывается необходимым вводить в состав электродов благородные металлы, такие как платина (Pt) и рутений (Ru). В качестве топлива, подаваемого на анод, используется чистый водород или водород, полученный в процессе риформинга из ископаемых топлив (например, из природного газа). Кислород из воздуха подается на катод топливного элемента. Электрохимические реакции восстановления кислорода на катоде и окисления водорода на аноде показаны ниже:Анодное окисление водорода: H2
Катодное восстановление кислорода: ½O2
+ 2H+ + 2e- Суммарная реакция в PEMFC топливном элементе:
H2 +
½O2
В дополнение к воде, которая производится по реакции, еще часть воды транспортируется вместе с протонами через мембрану, так что воздушные каналы на стороне катода заполняются водой (явление наводнения). Поскольку транспорт протонов через мембрану существенно зависит от влажности мембраны, регулирование потоков воды в PEMFC становится ключевой проблемой. Топливные элементы с полимерной электролитной мембраной могут быть задействованы как преобразователи энергии во всех видах прикладных использований: от переносных электронных приборов и автомобильных применений до стационарных электростанций. Их основным преимуществом является низкая рабочая температура, быстрый старт, высокая энергетическая плотность и простота системы. |
||
|
|
|
|
1 квт переносной топливный элемент PEMFC фирмы Ballard. |
25 вт переносной топливный элемент фирмы Smart Fuel Cell. |
Графитовые биполярные пластины (структуры каналов доставки реагентов) фирмы Schunk. |
|
Топливный элемент PEMFC может также работать на смеси метанола и воды и в этом случае он называется прямометанольным топливным элементом (DMFC).Метанол доставляется в ячейку в виде жидкости или газа в зависимости от условий работы. Одним недостатком прямометанольного топливного элемента является то, что скорость анодного окисления метанола много меньше чем водорода. На анод в DMFC добавляется второй катализатор – рутений, который предохраняет анод от отравления моноокисью углерода, смотри ниже: Анодное окисление метанола: CH3OH
+ H2O Катодное восстановление кислорода: 1½O2
+ 6H+ + 6e- Суммарная DMFC реакция: CH3OH
+ 1½O2
Подобие
физических
свойств
метанола и
воды
оказывается
причиной
утечки
метанола от
анода через
мембрану к
катоду. Этот
эффект,
называемый
кроссовером
метанола,
приводит к
смешанному
потенциалу
на катоде и
уменьшению
общего
потенциала
элемента. По
этой
причине, а
также
потому, что
метанол
окисляется
медленнее,
чем водород,
эффективность
(плотность
мощности) DMFC
меньше чем PEMFC.
Однако
простота
хранения
топлива
высокой
энергетической
плотности и
простая
конструкция
элемента
делают его
очень
привлекательным
в качестве
заменителя
перезаряжаемых
батареек
для
применений
в
переносных
приборах.
|
||
|
|
 |
|
Концепция мобильного телефона на DMFC фирмы Motorola. |
DMFC зарядное устройство для мобильного телефона фирмы ZSW. |
PEMFC с метанольным риформером для автомобиля Necar 5 фирмы Daimler Chrysler. |
|
Большие по величине топливные элементы обычно оборудованы риформерами для конверсии ископаемых топлив в водород. После процессов конверсии газообразное топливо содержит определенное количество окислов углерода и сульфидов, которые отравляют топливный элемент. Монооксид углерода (CO), например, адсорбирует частицы катализатора, блокируя таким образом поступление водорода. Чтобы минимизировать влияние CO, его количество в анодном топливе не должно превышать величину 20 ррм. Приемлемость СО на уровне нескольких ррм годится для низкотемпературных PEMFC, однако для высокотемпературного исполнения уже приемлем диапазон тысяч ррм. Таким образом, большое число исследований последнего времени концентрируются на разработке лучших риформеров и систем очистки в дополнении к поиску СО-толерантных катализаторов для топливных элементов. |
||
|
||||||||||||
