Явления переноса в мини-топливных элементах с прямым окислением метанола

• Автор: Бокач, Дмитрий Алексеевич
• Шифр специальности: 05.17.08, 05.17.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 192 с. : ил.

1 ток Ам

1р паразитный ток ток окисления метанола на катоде Ам

снюн ток обмена анода, Ам

2 ток обмена катода, Ам

у электрическая проводимость мембраны, Смм

аа, ас коэффициент передачи переноса для анода и катода соответственно доля полученной электрической энергии, затрачиваемая на изменение скорости электрохимической реакции
иеа чбС скорость движения газовой фазы в анодном и катодном питательном объеме, соответственно мс.

кЭфф эффективная константа скорости реакции, см

кэффИ эффективная константа скорости гетерогенной реакции на истинную

активную поверхность катализатора, с1м

1 Введение
Актуальность


Протоны под действием разности химических потенциалов концентраций переносятся с анода на катод через полимерный электролит. Рис. Принципиальная схема ячейки топливного элемента. Мембрана из ТПЭ 2 Электроды 3 Уплотняющие прокладки 4 Концевые пластины. На катоде происходит рекомбинация протонов, электронов и кислорода с образованием воды. Возрастающий интерес к новым источникам энергии для питания мобильных телефонов, ноутбуков и других портативных электронных устройств привел к активным работам научных лабораторий и ведущих мировых компаний по производству электроники Тошиба, Нокия, Сименс, Хитачи и др. Поскольку речь идет о создании миниатюрных источников энергии для портативных электронных устройств, то масса и габариты такого источника питания являются критическим параметром. При использовании водорода и перфорированных мембран типа йоп и МФ4СК нельзя обойтись без систем увлажнения газов, что сразу выводит подобную установку из разряда портативных. Альтернативой являются картриджные системы получения водорода с использованием неорганических соединений например, на основе химических гидридов, реагирующих с водой с выделением водорода, и топливные элементы с прямым окислением жидких углеводородов 6, . В данной работе рассматривается прямое окисление жидких углеводородов, в частности, метанола. Энергетическая емкость жидкого топлива, используемого в МТЭ, достигает . Джг или 4. Втчл метанол. Разработка таких топливных элементов в настоящее время ведется очень интенсивно. Метанол уже давно считался наиболее подходящим жидким топливом. Для того, чтобы получить максимальную энергию из молекулы этилового спирта, нужно провести реакцию до конца, т. СО2. Для этого необходимо разорвать химические связи в исходной молекуле. При этом особенность протекания реакций на катализаторах состоит в том, что связь углеродуглерод разрывается намного тяжелее, чем остальные, и разложение всех соединений, содержащих такую связь, при низких температурах происходит не полностью , . В молекуле метанола только один атом углерода, и этой проблемы не возникает. Рассмотрим подробнее электродные процессы в системе метанольного топливного элемента. Электродные процессы в системе метанолыюго топливного элемента физикахимия процесса. Катализаторы. СН3ОН 2Н С 2. ДО 8. При окислении каждой молекулы метанола образуется 6 электронов. АСГ 8. Анодная и катодная реакции в метанолыюм топливном элементе зависят от типа используемого электролита. СН3ОН Н С 5Н 6е 2. Для прохождения реакции необходимо, чтобы катализатор находился в непосредственном контакте с щелочным электролитом. Н С СОз2 Н 2. I. В работе отмечается, что активность Р1 и . Р1ки при С и 0,5 В, чем в кислой системы с ТПЭ. Такое сильное влияние на кинетику объясняется конкурирующей адсорбцией частично окисленных промежуточных продуктов реакции и анионов из электролита. Однако невозможность длительной работы щелочного электролита за счет образования карбонатов делает подобные топливные элементы практически непригодными к использованию. СН3ОН Н 6ЬГ 6е С 2. Н 6е ЗН 2. Как видно, вода поглощается в анодной реакции 1 молекула на 1 молекулу метанола. Однако образование воды на катоде 3 молекулы на 1 молекулу метанола перекрывает ее поглощение на аноде. Однако реакция 2. Изучение особенностей кинетики и механизма реакции анодного окисления метанола на платиновых электродах началось еще в первой половине х годов . В последующие годы эта реакция стала предметом изучения для многочисленных групп ученых, и можно считать, что механизм реакции установлен достаточно надежно . Рис. Схема процесса электрохимического окисления метанола В левом верхнем углу находится метанол, в правом нижнем продукт полного окисления, углекислый газ. Шаги направо представляют собой отрыв атома водорода и образование пары протонэлектрон. Шаги вниз также отрыв атомов водорода и образование пары протонэлектрон, однако сопровождающийся присоединением или отрывом ОНгруппы. Любой путь на данной схеме возможен и представляет собой три шага вправо и три шага вниз, ведущие к образованию углекислого газа, шести протонов и шести электронов.