Национальный исследовательский ядерный университет
Московский инженерно-физический институт
Кафедра перспективных методов получения и преобразования энергии
Отделение ядерной физики и технологий
Низкотемпературный топливный элемент канальной конструкции
аспирант Миганов Аким Владимирович
магистрант Витковская Елена Игоревна
Аннотация
В статье описывается сконструированный образец экспериментального водородно-воздушного топливного элемента канальной конструкции, и приводятся результаты первой серии экспериментов. Данная работа направлена на упрощение конструкции и повышение удельной мощности, на простоту сборки батареи топливных элементов, повышение устойчивости к внешним воздействиям.
Ключевые слова: топливный элемент, канальная конструкция, трубчатый электрод, твердополимерная протонопроводящая мембрана.
Первые опыты в области топливных элементов (ТЭ) были продемонстрированы У. Грове в первой половине XIX века, а публикации появились после 1900 г. [1]. За более чем сто лет было описано и изобретено множество типов ТЭ, в том числе низкотемпературных, но развитие и производство топливных элементов не получило широкого повсеместного применения. Это связанно в первую очередь с использованием в качестве топлива газа, нефти и угля. Поэтому до 50-х годов прошлого века всё ограничивалось созданием экспериментальных образцов. Сейчас же понимание того, что чрезмерное сжигание углеводородов приводит к увеличению двуокись углерода в атмосфере и постепенному изменению климата, подталкивает людей к более интенсивному продвижению водородной энергетики и соответственно топливных элементов [2].
Для чистых кислородно-водородных топливных элементов предпочтительней электроды с одинаковой поверхностью для получения надлежащего баланса при протекании химической реакции. Поэтому за последние тридцать лет широкое распространение получили топливные элементы с плоской формой электродов и твердополимерной протонопроводящей мембраной (PEMFC). Применение канальной конструкции оправдывается, если используются определённые условия конфигурации и эксплуатации ТЭ как, например в лабораторном образце, описанном Карлом Кордешом [1].
С появлением новых технических возможностей и задач канальная конструкция ТЭ становится всё более актуальной. В связи с этим нами было разработано новое конструктивное решение канального водородно-кислородного низкотемпературного топливного элемента.
Материалы и методы. Разработанный нами экспериментальный образец относится к области создания низкотемпературных топливных элементов с твердополимерной протонопроводящей мембраной, позволяющей преобразовывать химическую энергию непосредственно в электрическую. Он обладает катионной (протонной) проводимостью (Н+), КПД составляет 60-70 %, рабочая температура до 100 °С. Его можно использовать как отдельно, так и последовательно с другими такими же ТЭ, не изменяя при этом конструкцию и технологию изготовления.
Основой данного топливного элемента служат два трубчатых газодиффузионных электрода. Окислитель (воздух) проходит насквозь через топливный элемент, а восстановитель перетекает из одной камеры в другую, при этом обе камеры имеют входы и выходы. Анод и катод изготавливаются из одного материала. Они представляют собой тонкостенную трубчатую конструкцию из пористого графита (пористость 20-30 %) с трапециевидными вырезами и тонкой стенкой порядка 0.1-0.2 мм между газовой средой и твердополимерной протонопроводящей мембраной. Такая конструкция электродов позволяет иметь очень тонкую стенку из пористого материала, при этом жёсткость и прочность предложенной конструкции не теряется. Графит имеет низкое омическое сопротивление 1.5-2 Ом и подходит для ТЭ, но не обладает достаточной пористостью материала (40-60 %). Поэтому для достижения большей диффузии через электроды с сохранением жёсткости и прочности ТЭ предложена описанная выше конструкция (рис. 1).
водородный воздушный топливный элемент
Рис. 1. Низкотемпературный топливный элемент канальной конструкции
В качестве катализатора на аноде и катоде, наносится тонкий слой из палладия и никеля. В перспективе возможно использование других более дешевых, но эффективных катализаторов [3, 4].
Особенной чертой такой конструкции является то, что восстановитель из верхней камеры попадает в нижнюю по трапециевидным каналам с тонкой стенкой. Это приводит к равномерному распределению потока восстановителя и увеличению газовой диффузии анода без лишних потерь топлива. Такая же конструкция для катода позволяет интенсифицировать восстановление кислорода и тем самым увеличить скорость окислительно-восстановительной реакции топливного элемента, а также увеличить удельную мощность. Для этого ТЭ имеет полую сквозную конструкцию, обеспечивающую постоянный приток окислителя (воздуха) на катод и его защиту от внешнего воздействия.
Результаты экспериментов. После завершения конструирования и сборки топливного элемента канальной конструкции нами были проведены эксперименты, направленные на подтверждение работоспособности и определение времени работоспособности экспериментального образца.
Диффузия кислорода, как и водорода через тонкую стенку (мембрану) определяет ток топливного элемента. Для этого проводилось изменение давления в воздушном канале при неизменном давлении в канале восстановителя.
При увеличении давления воздуха до 2 атм. наблюдался рост плотности тока с 40 мА/см2 до 50 мА/см2. Так же было замечено увеличение потенциала электродов на 0,08 ± 0,01 В с 0,9 В.
Температура топливного элемента поддерживалась в диапазоне от 25 до 30 0С.
Значение нагрузки также влияет на величину плотности тока и давления газов в каналах, и для данного топливного элемента при максимальном КПД ~ 70 % давление газов в каналах устанавливается разное, что обусловлено различной площадью поверхности электродов и использованием воздуха вместо чистого кислорода.
По окончанию проведённых экспериментов не наблюдалось разрушения или деформации каналов при достижении давления до 2 атм.
Время работы данного образца при стабильных показаниях составило не менее 8 часов.
Данное научное исследование проводится при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «УМНИК» по теме «Разработка регенерируемого органоокисного топливного элемента (РОТЭ) в рамках договора 7307ГУ2/2015 от 08.09.2015 г.
Вывод
Нами был сконструирован низкотемпературный топливный элемент канальной конструкции с твердополимерной протонопроводящей мембраной. В первой серии экспериментов была подтверждена работоспособность ТЭ без нагрузки и проведена серия испытания с изменением давления. Здесь стоит учитывать, что чрезмерное увеличение давления способно повредить тонкие стенки электродов, поэтому в дальнейшем нами будут определены соответствующие максимальные значения по этой характеристике. Также нам предстоит построить полную зависимость давления газов от нагрузки и выбрать оптимальный режим, обеспечивающий максимально возможный к.п.д.
В дальнейшем планируется внести в саму конструкцию изменения: увеличить площадь тонкой стенки за счёт уменьшения рёбер жёсткости, применить более дешёвый катализатор, уменьшить толщину твердополимерной протонопроводящей мембраны. Предполагается, что эти изменения позволят достигнуть большей эффективности и надёжности ТЭ.
Список литературы
1. Kordesch Karl. The Hydrogen-Oxygen (Air) Fuel Cell with Carbon Electrodes. // Presented before the Division of Gas and Fuel Chemistry American Chemical Society Atlantic City, New Jersey. Meeting. September 13-18, 1959.
2. Andrews John, Shabani Bahman. Re-envisioning the role of hydrogen in a sustainable energy economy // International journal of hydrogen energy, 2012. Vol. 37. P. 1184-1203.