Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 1 Лекция 15 Щелочные топливные элементы Принцип работы История развития Типы конструкций Рабочие параметры

Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 2 Схема ЩТЭ На аноде На катоде Н 2 +1/2О 2 =Н 2 О+ электроэнергия +тепло

Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 3

4

5

6

7

8 Достоинства ТЩТЭ Активационное перенапряжение на катоде ниже, чем в других ТЭ. Низкая цена материалов, особенно электролита Электроды могут быть сделаны без использования благородных металлов Можно обойтись без биполярных пластин, обязательных в ТПТЭ Конструкция ЩТЭ намного проще, чем ТПТЭ Классификация ЩТЭ По температуре: среднетемпературные (200 С) и низкотемпературные (ниже 100 С) По типу электродов: гидрофильные, гидрофобные, гидрофильно – гидрофобные По электролиту: свободный, матричный

Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 9 Электролит: Водный раствор КОН Топливо: чистый водород Окислитель: кислород или воздух

Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 10 Конструкция ЩТЭ со свободным электролитом Легко менять электролит, например, для решения проблемы карбонизации (2КОН+СО 2 =К 2 СО 3 +Н 2 О) Циркулирующий эл-т можно использовать как систему охлаждения Вода производится на аноде и потребляется на катоде: - возможно повышение концентрации и выпадение эл-та в осадок. Прокачка приводит к перемешиванию. Удалить лишнюю воду можно вне ТЭ Недостаток: Необходимость дополнительного коррозионностойкого наносного оборудования. Проблема проводимости межуд ячейками

Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 11 ЩТЭ с матричным электролитом ЩТЭ со свободным эл-м

Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 12 ЩТЭ с матричным эл-м Матрица – обычно асбест Удобно для космических применений: работает в любом положении, проще конструкция, меньше вес Нет проблемы КЗ между ячейками - появляется проблема управления влажностью (но не так сурово как в ТПТЭ) Проблема карбонизации Невозможно сменить электролит

Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 13

Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 14 ЩТЭ с растворенным топливом (тетрагидроборат натрия) Анодная реакция Полная реакция G=-1271,2 кДж/мольЕ=- G/nF = 1,64 В Паразитная реакция разложения ТГБН

Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 15 Влияние давления Зависимость добавки напряжения ХХ от давления + увеличение токов обмена, снижение перенапряжения на катоде ТЭ Бэкона (1950): 45 атм. 200 С, (V=0.04 В) Параметры ТЭ: 400 мА/см 2, при 0,85 В и 1 А/см 2 при 0,8 В

Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 16 Зависимость ДНП воды от Т при различных концентрациях КОН Обычно топливо и кислород хранятся при повышенных давлениях: не нужно дополнительных расходов. Давление газов несколько выше давления электролита Зависимость добавки НХХ

Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 17 Влияние температуры

Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 18 Влияние примесей (карбонизация) Деградация ЩТЭ работающего на воздухе без СО2 и с СО2 Эффекты СО2: Уменьшение концентрации ОН - увеличение вязкости электролита Осаждение карбонатных солей в пористых электродах Уменьшение растворимости кислорода Уменьшение проводимости электролита

Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 19 Электроды и катализаторы ЩТЭ Ni, Ag электроды: синтез из порошка никеля, никель, серебро Ренея

Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 20 Прессованные электроды: Катализатор на углеродном носителе смешивается с тефлоном и накатывается на никелевую сетку. Тефлон – связка + гидрофобизирующая поверхность Ограничивает проникновение электролита, не нужно повышать давление газов. Можно производить на бумагоделательных машинах. Стоимость с неплатиновыми катализаторами 0,01 $/cм 2 с палтиновым в 3 раза дороже. Точно такие же используются в цинковых аккумуляторах Тефлон непроводящий – нет сквозной проводимости через электрод – токоотводы нужно делать от края электрода (от сетки)

Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 21 Характеристики ЩТЭ на чистых водороде и кислороде и воздухе ВАХ ЩТЭ при работе на кислороде

Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 22 ВАХ ЩТЭ «Фотон» ВАХ ТПТЭ для различных составов газа -окислителя

Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 23 Работа ЩТЭ на карбонизованном электролите

Кафедра ВЭПТ Технологии производства элементов водородной энергетики 24