Физпрактикум / Физ. Прак / топливный элемент / 9
.pdf
МЭИ (ТУ)
РНЦ “Курчатовский институт”
ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИЙ ДЛЯ ОБРАТИМОГО ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА С ТВЕРДЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
Джусь К.А., Кулешов В.Н., Серегина Е.А., Григорьев С.А.
Системы с ТПЭ в водородной энергетике
Возобновляемые |
Электролизеры |
||
источники энергии |
|||
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Топливныеэлементы
Водородная инфраструктурауктура
Демонстрационная модель на основе систем с ТПЭ
(A) |
(Б) |
В РЕЖИМЕ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
2H++2e→H |
2 |
|
2H O→O +4e+4H+ |
2H++2e→H |
2 |
|
2H O→O +4e+4H+ |
||
|
2 |
2 |
|
2 |
2 |
||||
катод |
|
|
|
анод |
катод |
|
|
|
анод |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Pt |
|
|
|
Pt+Ir |
Pt |
|
|
|
Pt+Ir |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
анод |
|
|
катод |
|
катод |
|
анод |
H →2H++2e |
|
O +4e+4H+→2H O |
O +4e+4H+→2H O |
|
H →2H++2e |
||
|
|
||||||
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
||
В РЕЖИМЕ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
Две возможные схемы работы обратимой ячейки.
(A) – химически обратимые электроды;
(Б) – электроды, не меняющие своих окислительно-восстановительных свойств при переключении режима работы ячейки.
РЕЖИМ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА
2H++2e→H2
катод
гидрофобизированная углеграфитовая ткань или бумага
Pt40/С (гидрофобный)
катод
O2+4e+4H+→2H2O
2H2O→O2+4e+4H+
анод
пористый титан
Ir+Pt (чернь)
мембрана Nafion 115
анод
H2→2H++2e
РЕЖИМ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
Схемы обратимой ячейки, реализованная в данной работе (электроды не меняют своих окислительно-восстановительных свойств при переключении режима работы ячейки).
H2 |
O2 |
С2 |
H2 |
O2 |
+ H2O |
С1 |
|
H2O терм. |
|
|
|
H2O терм. |
|
|
|
|
|
t
Э
H2O |
|
H2O |
Принципиальная схема лабораторной установки для исследования электролиза с ТПЭ.
Условные обозначения:
Э – электролизер; С1 – сепаратор кислорода; С2 – сепаратор водорода; Н2О терм. – контур термостатирования электролизера; t – датчик температуры;
p1 p2
|
|
|
|
|
|
H2 + |
H2O терм. |
||||||
|
|
|
|
|
|
H2O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t1 |
|
|
У |
|
|
H2O терм. |
H2O терм. |
|
H2O |
t1 |
|
ТЭ |
||
|
Р
РД РД
1 2
H2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
О2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Э
Принципиальная схема лабораторной установки для исследования топливного элемента с ТПЭ.
Условные обозначения:
ТЭ – топливный элемент; Э – электролизер; Р– резервуар с водой для электролизера; У – увлажнитель водорода; Н2О терм. – контур термостатирования топливного элемента и увлажнителя; t – датчик температуры; РД1, РД2 – регуляторы давления;
p1, p2 – датчики давления.
|
2,7 |
|
|
|
|
|
2,5 |
|
|
|
|
|
2,3 |
|
|
|
|
В |
2,1 |
|
|
|
|
U, |
|
|
|
|
|
|
1,9 |
|
|
|
|
|
1,7 |
|
|
|
|
|
1,5 |
|
|
|
|
|
1,3 |
|
|
|
|
|
0 |
0,5 |
1 |
1,5 |
2 |
|
|
|
i, А/см2 |
|
|
стандартный электролизер
чистый Ir
Pt-Ir(Ir к мембране)
Pt/Ir=50/50
чистая Pt
Вольт-амперные кривые обратимой электрохимической ячейки в режиме электролизера при tяч=90°C и атмосферном давлении.
SудPt=15,7м2/г, SудIr=32м2/г (пот.дин.)
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,7 |
|
|
|
|
|
|
|
В |
0,6 |
|
|
|
|
|
|
|
U, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0,17 |
0,34 |
0,51 |
0,68 |
0,85 |
1,02 |
1,19 |
|
|
|
|
|
i, А/см2 |
|
|
|
стандартный ТЭ
чистая Pt
Pt-Ir(Ir к мембране)
чистый Ir 
Pt/Ir=50/50
Вольт-амперные кривые ячейки стандартного топливного элемента и обратимой электрохимической ячеки в режиме топливного элемента при температуре ячейки tяч=80°C,
PH2 = 2 атм и PO2=3 атм.
SудPt=15,7м2/г, SудIr=32м2/г (пот.дин.)
Ir - oxygen reduction
Вольт-амперные кривые ячейки стандартного электролизера и обратимой электрохимической ячейки в режиме электролизера при tяч=90°C и атмосферном давлении.
SудPt=~30м2/г, SудIr=32м2/г
1 – стандартный электролизер
2 – обратимая ячейка в режиме электролизера, пористый титан и Pt+Ir (Ir-слой со стороны мембраны на аноде, углеграфитовая бумага и Pt40/V10 на катоде;
3 – обратимая ячейка в режиме электролизера, пористый титан и Pt+Ir (Pt-слой со стороны мембраны на аноде, углеграфитовая бумага и Pt40/V10 на катоде.