Разработка элементов портативного химического источника тока с непрямым окислением борогидрида натрия

• Автор: Ладовский, Андрей Валерьевич
• Шифр специальности: 02.00.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 175 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Литературный обзор.

1.1. Портативные ТЭ как перспективные источники тока для портативной

техники

1.1.1. Преимущества портативных ТЭ

1.1.2. Требования к портативным ТЭ и проблемы, с которыми придется столкнуться при их создании .

1.1.3. ПТЭ с твердополимерным электролитом

1.1.4. ПТЭ с щелочным электролитом

1.2. Использование борогидрида натрия в ПТЭ.

1.2.1. Общая характеристика борогидрида натрия

1.2.2. Прямой борогидридпый ТЭ
1.3. ПТЭ с непрямым окислением борогидрида натрия.
1.3.1. Получение водорода из борогидрида натрия.
1.3.2. Генератор водорода на основе боргидрида натрия.
1.3.3. ПИТ на основе борогидрида натрия.
1.4. Заключение по литературному обзору.
ГЛАВА 2. Методика экспериментальных исследований
2.1. Реактивы и оборудование
2.2. Методика исследования гидролиза борогидрида натрия.
2.3. Методика исследования электроокисления водорода и исследований на
газоанализаторе
2.4. Методика исследования структуры катализаторов
2.4.1. Метод низкотемпературной адсорбции азота метод БЭТ.
2.4.2. Электрохимические методы определения удельной поверхности .
2.4.3. Эталонная контактная порометрия
2.4.4. Растровая электронная микроскопия
ГЛАВА 3. Результаты экспериментальных исследований процессов гидролиза борогидрида натрия и электроокисления водорода и их обсуждение
3.1. Влияние различных факторов на параметры процесса гидролиза борогидрида натрия
3.2. Результаты исследования электроокисления водорода и исследований на газоанализаторе .
3.3. Структурные характеристики катализаторов
3.3.1. Структурные характеристики катализаторов гидролиза борогидрида натрия.
3.3.2. Структурные характеристики катализаторов электроокисления водорода
3.4. Выводы по результатам исследований
ГЛАВА 4. Расчет параметров портативного источника тока
4.1. Конструктивная схема ПИТ с непрямым окислением борогидрида натрия.
4.2. Расчет оптимальной плотности тока в БТЭ
4.3. Расчет расхода реагентов в ПИТ.
4.3.1. Расчет расхода реагентов в БТЭ.
4.3.2. Расчет расхода реагентов в генераторе водорода.
4.4. Расчет массы БТЭ и ПИТ.
4.5. Расчет тепловыделения в ПИТ и отвода тепла от него.
4.5.1. Уравнения теплового баланса генератора водорода, БТЭ и ПИТ
4.5.2. Расчет тепловыделения и поглощения тепла в генераторе водорода
4.5.3. Расчет тепловыделения и поглощения тепла в БТЭ.
4.5.4. Расчет количества теплоты, отводимого от ПИТ в окружающую среду.
4.5.5. Расчет расхода воздуха, необходимого для охлаждения ПИТ
4.5.6. Расчет площади поверхности теплообмена для отвода тепла
4.5.7. Расчет нагрева воздуха в катодных камерах ПИТ
4.5.8. Расчет нагрева водорода в анодных камерах БТЭ
4.5.9. Расчет массообмена в анодных камерах БТЭ.
4.6. Расчет удельной энергии ПИТ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Электрохимические энергоустановки ЭЭУ на основе топливных элементов обладают важными достоинствами высоким КПД, экологической безопасностью, возможностью использовать различные виды топлива, быстрым монтажом, когенерацией теплоты и воды, простотой обслуживания. В настоящее время разрабатываются ПИТ на основе топливных элементов ТЭ, в которых топливо на анод подается не непрерывно, а заменяется периодически с помощью картриджей, впрыскивания или другими способами. Возможность изменения мощности, напряжения, времени непрерывной работы в широких диапазонах. ПТЭ должны быть нечувствительными к колебаниям температуры и влажности воздуха и присутствию в воздухе диоксида углерода. ПТЭ должны иметь высокую степень использования топлива и каталитическую активность электродов. Основным критерием различия современных ПТЭ является тип электролита. Электролит ПТЭ может быть щелочным и твердополимерным. В ГЭ с твердополимерным электролитом ТГ1Э ионным проводником является ионообменная мембрана с проводимостью по ионам водорода протонам, поэтому эти ТЭ также называются ТЭ с протонообменной мембраной ПОМ 1, 9. Толерантность к катализаторам низкая проницаемость газов механическая прочность невысокая стоимость и др. К достоинствам мембраны i относятся высокие химическая и механическая стойкость при температурах до 0 С и электрическая проводимость 1,4 Смсм при толщине 0, мм и температуре 0 К в набухшем состоянии, газонепроницаемость и небольшая толщина 0, 0, мм. В ТПТЭ нашли применение в основном мембраны i i 7 толщина 0,80,0 мм, i 5 толщина 0,7 мм и i 2 толщина 0,10, мм в числителе указана толщина мембраны в сухом, в знаменателе в набухшем состояниях. Как следует из рис. Однако ресурс мембраны снижается с уменьшением ее толщины, поэтому существует оптимальная толщина мембраны, которая зависит от технологии и конструкции топливного элемента и режима его работы. Кроме того, с уменьшением толщины мембран увеличивается проницаемость газов, особенно водорода и падает напряжение разомкнутой цепи ТЭ. Эти факторы, а также высокая цена мембран i 0 0 СШАм и сильная зависимость параметров мембран от их влагосодержания являются их существенными недостатками. Рис. Вольтамперные кривые ТПТЭ с различными мембранами при температуре С и давлениях водорода и воздуха 2 бара 1 Поп 7 2 Аоп 5 3 ЫаАоп 2 4 0,5 мм 5 ВАМЗв. Широкое распространение среди ПТЭ с твердополимерным электролитом получили метанольные портативные топливные элементы 1,6,. СНзОНж Н С 6Н 6с. СН3ОНж 32 СО, 2 Н2Ож. Стандартная ЭДС при температуре 8 К равна 1, В. С увеличением температуры стандартная ЭДС снижается. Высокую активность в реакции электроокисления метанола показывают . Р1 , Я и Р0Ки, нанесенный на эту сажу. Состав и структура катодов метанольного ТЭ
характеризуются высоким содержанием Р1 катализатора до 4 мгсм . Обычно на катодах используется платиновая чернь. Вследствие того, что портативные метанольные ТЭ должны работать при невысоких температурах, ПТЭ работают не при 0 С, как обычные метанольные ТЭ, а при С, что несколько ухудшает их параметры. В табл. МТЭ, имеющих электроды с общим удельным содержанием катализатора 5 мгсм2 и концентрацию метанола 0,5 мольл 1. Таблица 1. Как видно из таблицы, удельные объемные мощности батарей пока невелики, особенно при температуре С. Необходимо повысить плотность мощности ТЭ не менее чем в 2 3 раза. В этом случае, если принять, что к батарее добавляется емкость для хранения топлива, объем которой составляет 0,3 объема батареи, то удельная энергия составит 0 Втчл, что превышает удельную энергию аккумуляторов. Уже созданы прототипы метанольных ТЭ для ноутбуков мощностью Вт макс. Вт, с напряжением В, весом 0 г. Длительность работы на 0 мл топлива ч. Разработаны также аккумуляторы мощностью 1 Вт для сотовых телефонов длительность работы ч. Ач, и самый маленький в мире ТЭ с прямым окислением метанола мощностью 0,1 Вт x4,5x9,1 мм 8,5 гр. Все эти разработки были выполнены компанией ТоБЫЬа 4. ТЭ для питания ноутбука, мощностью Вт, объемом 0 см3, топливом в котором является 1М раствор метанола, окислителем кислород воздуха, рабочая температура порядка С, емкость 0 Втч.