Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский...
description
Transcript of Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский...
![Page 1: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/1.jpg)
Мембранное материаловедение
проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю.
ИНХС РАН
![Page 2: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/2.jpg)
8
ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
![Page 3: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/3.jpg)
СХЕМА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
![Page 4: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/4.jpg)
ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
![Page 5: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/5.jpg)
Топливные элементы – междисциплинарная проблема
• Электрохимия
• Мембранный транспорт
• Катализ
• Материаловедение
• Инжениринг и проблемы энергетики
![Page 6: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/6.jpg)
КПД различных машин
![Page 7: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/7.jpg)
Причины высоких КПД в ТЭ
![Page 8: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/8.jpg)
Различные типы топливных элементов
Щелоч-ные
Водород-ные с Н+
мембра-ной
Метаноль-ные с Н+ мембра-ной
ТЭ на H3PO4
ТЭ на распла-вах карбона-тов
ТЭ на твердых окислах
Прило-жения
Космос, транспорт, автономные системы
Стационарные установки, комбинированное получение электроэнергии и тепла
Рабочие Т <100o 60-120o
(200o ?)
160-220o
600-700o 800-1000o
Мощ-ность, кВт
5-150 т 5-250 5 50-11000
100-2000 100-250
КПД,% До 70 50 50 50-70 До 70 До 70
![Page 9: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/9.jpg)
Щелочные топливные элементы
Электролит КОН (стаб. на матрице или циркулирующий)
Реагенты Н2, О2
Ион-переносчик ОН-
Электроды Катод: Ni ( добавки Pt?)
Анод:Pt/C, Pt-Co/C, Pt-Pd/C
Анодная реакция H2 + 2OH- 2H2O + 2e-
Катодная реакция 1/2O2 + H2O + 2e- 2OH-
Проблемы Образование карбонатов:
С + О2 CO2
CO2 + 2OH- CO32- + H2O
![Page 10: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/10.jpg)
Водородные ТЭ с Н+ проводящей мембраной
Электролит Ионообменная мембрана (поликислота)
Реагенты Н2, воздух (О2)
Ион-переносчик Н+
Электроды Катод: Pt/C
Анод: Pt/C, Pt-Ru/C
Анодная реакция H2 2H+ + 2e-
Катодная реакция 1/2O2 + 2H+ + 2e- H2O
Проблемы Отравление анодной Pt CO
Гидратация-дегидратация
Кроссовер (Н2 + О2)
![Page 11: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/11.jpg)
Метанольные ТЭ с Н+ проводящей мембраной
Электролит Ионообменная мембрана (поликислота)
Реагенты CH3OH, воздух (О2)
Ион-переносчик Н+
Электроды Катод: Pt/C
Анод: Pt-Ru/C (Os,Rh…)
Анодная реакция CH3OH + H2O CO2 + 6H+ + 6e-
Катодная реакция 3/2O2 + 6H+ + 6e- 3H2O
Проблемы Гидратация-дегидратация
Кроссовер (MeOH)
![Page 12: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/12.jpg)
ТЭ на фосфорной кислоте
Электролит H3PO4 (на тв. носителе – SiC и др.)
Реагенты Н2, воздух (О2)
Ион-переносчик Н+
Электроды Катод: Pt/C, Pt-WO3/C
Анод: Pt/C, Pt-Ru/C
Анодная реакция H2 2H+ + 2e-
Катодная реакция 1/2O2 + 2H+ + 2e- H2O
Проблемы Кроссовер (Н2 + О2)
Отравление СО не так страшно (при 200оС)
![Page 13: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/13.jpg)
ТЭ на расплавах карбонатов
Электролит LiKCO3, LiNaCO3 на матрице LiAlO2 + Al2O3
Реагенты CH4, синтез-газ (H2, CO, CO2), O2
Ион-переносчик CO32-
Электроды Катод: NiO, LiFeO2 и др.
Анод: Ni-Al, Ni-Cr
Анодная реакция H2 + CO32- H2O + CO2 + 2e-
Катодная реакция 1/2O2 + CO2 + 2e- CO32-
Проблемы Попадание частиц NiO в электролит; материаловедение, работа с горючими газами при высоких Т
![Page 14: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/14.jpg)
ТЭ на твердых оксидах
Электролит ZrO2, CeO2, Y2O3
Реагенты CH4, синтез-газ (H2, CO, CO2), O2
или воздух
Ион-переносчик О22-
Электроды Катод: LaSrMnO3, лантанидные перовскиты и др.
Анод: Ni (+NiO) и др.
Анодная реакция 2Н2 + O22- 2H2O + 2e-
Катодная реакция O2 + 2e- O22-
Проблемы Материаловедение (уплотнения, газо-распределение и т.д.)
Долгосрочная стабильность материалов
![Page 15: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/15.jpg)
Требования к мембранам
• Низкая стоимость (<10$/кВт)
• Высокая протонная проводимость
• Хорошие барьерные свойства (Н2,О2, МеОН)
• Термическая и химическая стабильность: >120-150oC, >10000 час
• Механическая стабильность
• Электроизолирующие свойства
![Page 16: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/16.jpg)
Мембраны Nafion (a) и Dow (b)
![Page 17: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/17.jpg)
Мембрана сулфонилимида (более проводящая чем Nafion)
![Page 18: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/18.jpg)
Мембрана Asahi Chemical
![Page 19: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/19.jpg)
Другие сульфированные мембранные материалы
![Page 20: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/20.jpg)
Материалы с остатками фосфорной кислоты
![Page 21: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/21.jpg)
Полибензимидазол – высокотемпературная
мембрана
![Page 22: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/22.jpg)
Полимерная цепь Nafion
![Page 23: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/23.jpg)
Нано-структура Нафиона
![Page 24: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/24.jpg)
Влияние влажности на проводимость Нафиона
![Page 25: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/25.jpg)
Структура каталитического слоя
![Page 26: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/26.jpg)
Структура каталитического слоя
![Page 27: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/27.jpg)
Водные проблемы(water management)
• Состояние воды в мембране:
сольватация –SO3H группсольватация Н+
«объемная» воды• Дегидратация:
“асимметрия” образования воды;температурный режим (<100oC);возможное влияние на мех. стабильность
• Увлажнение:роль кроссовера;“заливание” пор в электроде.
![Page 28: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/28.jpg)
Стратегия получения Н2
![Page 29: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/29.jpg)
Методы получения водорода(ископаемые топлива)
• Паровая конверсия природного газа:CH4 + H2O CO + 3H2
CO + H2O = CO2 + H2
• Каталитический риформингC6H14 C6H6 + 4H2
• ПиролизCnHm C2H4 + H2
![Page 30: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/30.jpg)
Альтернативные методы получения водорода
• Электролиз
• Фотолиз воды
• Высокотемпературные ядерные (Не) реактора
![Page 31: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/31.jpg)
Термохимический цикл в Не ядерном реакторе
Источник энергии – Не (1000оС)
2H2О + SO2 + J2 H2SO4 + 2HJ (при 900о)
2HJ J2 + H2 (при 450оС)
H2SO4 + SO2 + H2O + 1/2O2 (при 850oC)
![Page 32: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/32.jpg)
Фотохимическая генерация Н2
![Page 33: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/33.jpg)
Методы очистки водорода
• Мембраны:
Pd
полимерные мембраны• Химические:
дожигание: СО + 1/2O2 CO2
реакция водяного пара: CO + H2O = CO2 + H2
метанирование: СO + 3H2 CH4 + H2O
• Адсорбционные
![Page 34: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/34.jpg)
Хранение водорода
• Газовые баллоны (0,5 кг Н2)
• Жидкий водород (-253оС, теплопотери)
• Гидрирды металлов, нано-трубки и т.п.
• Химические источники Н2:
СН3ОН, СН4, НС, биомасса.
![Page 35: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/35.jpg)
Весовая и объемная удельная плотность энергии
![Page 36: Мембранное материаловедение проф. д.х.н. Ямпольский Ю.П. д.х.н. Алентьев А.Ю. ИНХС РАН](https://reader030.fdocuments.net/reader030/viewer/2022012916/56814467550346895db0fb82/html5/thumbnails/36.jpg)
ТЭ – будущие основные источники энергии