Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

О ВОЗМОЖНОСТИ ЗАПУСКА ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ С ТВЕРДЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

https://doi.org/10.15518/isjaee.2015.12.003

Полный текст:

Аннотация

Исследованы возможности использования этанола в концентрациях до 40 об. % в качестве деполяризатора анода для электролизера с твердым полимерным электролитом (ТПЭ) и обеспечения его пуска при отрицательных температурах. В качестве анодных катализаторов применялись платина, иридий и твердый раствор Pt-Ru (1:1 ат.%), а в качестве катодных – Pt на Vulcan XC-72 и Pt-Ru. Показано, что во всех случаях при использовании водно-этанольных растворов с концентрацией этанола до 40 об. %  напряжение на ячейке в целом возрастает, что обусловлено увеличением сопротивления мембраны и снижением скорости катодного процесса из-за пассивации/отравления катодного платинового катализатора как самим этанолом, так и продуктами его окисления. Определенное негативное влияние имеет и более сильное набухание мембранно-электродного блока (МЭБ) в растворе этанола, что ведет к его частичному разрушению (расслаиванию). Энергозатраты на получение водорода электролизом спиртовых растворов ниже, чем электролизом воды, однако, экономическая целесообразность такого процесса вызывает сомнения. Показано, что электролизная ячейка может выдерживать замораживание при температуре –15…–20 оС, причем в этих условиях сопротивление мембраны в водно-этанольных растворах ( до 40 об. % ) не является критичным, и подача данных растворов в электролизную ячейку позволяет начать электролиз воды при напряжении 2,0...2,2 В и токе 0,07...0,13 А/см2. Это обеспечивает «холодный пуск», последующий саморазогрев электролизной ячейки и дальнейшее использование деионизованной воды для ведения процесса. 

Об авторах

В. Н. Фатеев
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Россия
химик, д-р хим. наук, профессор, заместитель руководителя ККФХТ по научной работе НИЦ «Курчатовский Институт»


Е. К. Лютикова
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Россия
инженер-механик, начальник лаборатории ККФХТ НИЦ «Курчатовский Институт»


В. В. Пименов
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Россия
инженер-технолог, технолог ККФХТ НИЦ «Курчатовский Институт»


С. В. Акелькина
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Россия
инженер-химик-технолог, начальник лаборатории  НИЦ «Курчатовский Институт»


С. Е. Сальников
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Россия
инженер-технолог, технолог ККФХТ НИЦ «Курчатовский Институт»


В. Ксинг
Чанчуньский институт прикладной химии Академии наук Китая
Китай

доктор наук, профессор, директор лаборатории источников тока Чанчуньского института прикладной химии Академии наук Китая



Список литературы

1. Sasikumar G., Muthumeenal A., Pethaiah S.S., Nachiappan N., Balaji R. Aqueous methanol electrolysis using proton-conducting membrane for hydrogen pro-duction // International Journal of Hydrogen Energy. 2008. Vol. 33, issue 21. P. 5905–5910.

2. Caravaca A., Sapountzi F.M., De Lucas-Consuegra A., Molina-Mora C., Dorado F., Valverde J.L. Electrochemical reforming of ethanol water solutions for pure H2 production in a PEM electrolysis cell // International Journal of Hydrogen Energy. 2012. Vol. 37, issue 12. P. 9504–9513.

3. Tuomi S., Santasalo-Aarnio A., Petri Kanninen P., Kallio T. Hydrogen production by methanolewater solution electrolysis with an alkaline membrane cell // Journal of Power Sources. 2013. Vol. 229. P. 32–35.

4. Cloutier C.R., Wilkinson D.P. Electrolytic pro-duction of hydrogen from aqueous acidic methanol solu-tions // International Journal of Hydrogen Energy. 2010. Vol. 35, issue 9. P. 3967–3984.

5. Кадиров М.К. Исследование анодного окисления этанола в топливном элементе методом ЭПР // Структура и динамика молекулярных систем. 2007. Вып. 1. С. 444–449.

6. Тарасевич М.Р., Кузов А.В. Топливные эле-менты прямого окисления спиртов // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2010. №7 (87). С. 86–108.

7. Eliott J.A., Hanna S., Eliott A.M.S., Cooley G.E. The swelling behaviour of perfluorinated ionomer mem-brane in ethanol/water mixtures // Polymer. 2001. Vol. 42. P. 2251–2253.

8. Rivin D., Kendrick C.E., Gibson P.W., Schneider N.S. Solubility and transport behavior of water and alco-hols in NafionTM // Polymer. 2001. Vol. 42. P. 623–635.

9. Тарасевич М.Р., Кузов А.В., Припадчев Д.А., Баулин В.Е. Разработка катализаторов и топливного элемента с протонпроводящим электролитом для прямого окисления этанола // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2008. T. 10. C. 155–163.

10. Кузов А.В., Тарасевич М.Р., Богдановская В.А. Катализаторы анодного окисления этанола для этанольно-воздушного топливного элемента с про-тонпроводящим полимерным электролитом // Электрохимия. 2010. Т. 46. № 4. С. 444–453.

11. Kuzov A.V., Tarasevich M.R., Korchagin O.V. Anode catalysts for direct ethanol electrooxidation // 5th Baltic Conference on Electrochemistry: Tartu, Estonia. 30 April – 5 May, 2008

12. Баулин В.Е., Богдановская В.А., Кузов А.В., Припадчев Д.А., Тарасевич М.Р., Эренбург М.Р. Анодные катализаторы для низкотемпературных этанольно-кислородных топливных элементов // II международный симпозиум по водородной энергетике: Москва, Россия.1–2 ноября, 2007.

13. Гринберг В.А., Кулова А.М., Скундин А.М., Пасынский А.А. Наноструктурные катодные катализаторы для прямого метанольного топливного эле-мента // Электрохимия 2007. Т. 43б № 1. С. 72–76.

14. Мазин П.В., Капустина М.Р., Тарасевич М.Р. Топливный элемент с прямым окислением этанола с анионообменной мембраной и щелочным электролитом // Электрохимия. 2011. Т. 47, № 3. С. 295–302.

15. Фролова Л.А., Добровольский Ю.А., Букун Н.Г. Электрокатализаторы на основе платинированных оксидов олова для водородных и спиртовых топливных элементов // Электрохимия 2011. Т. 47. № 6. С. 745–756.

16. Kurihara L.K., Chow G.M., Schoen P.E. Nano-crystalline metallic powders and films produced by the polyol method // Nanostructured Materials. 1995. Vol. 5, No. 6. P. 607–613.

17. Xie J., Zhang N., Varadan V.K. Functionalized carbon nanotubes in platinum decoration // Smart Mater. Struct. 2006. Vol. 15. P. S5-S8.

18. Fujimoto T., Mizukoshi Y., Nagata Y., Maeda Y., Oshima R. Sonolytical preparation of various types of metal nanoparticles in aqueous solution // Scripta mater. 2001. Vol. 44. P. 2183–2186.

19. Пат. 2324538 РФ, МПК B01J 37/04. Катали-затор с наноразмерными частицами на носителе и способ его изготовления /Акелькина С.В., Куликова Л.Н., Лютикова Е.К., Порембский В.И., Фатеев В.Н. // заявитель и патентообладатель ФГУ РНЦ «Курчатовский Институт» № 2006142295/04; заявл. 30.11.2006; опубл. 20.05.2008, Бюл. № 14.

20. Федотов А.А., Григорьев С.А., Джусь К.А., Фатеев В.Н. Синтез наноструктурированных электрокатализаторов на основе магнетронно-ионного распыления // Кинетика и катализ. 2012. Vol. 53, № 6. С. 803–809.

21. Алексеева О.К., Фатеев В.Н. Применение метода ионного магнетронного распыления для синтеза наноструктурных электрокатализаторов (обзор) // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2015. № 7 (171). С. 14–36.

22. Grigoriev S.A., Fedotov A.A., Martemianov, S.A., Fateev V.N. Synthesis of nanostructural electrocat-alytic materials on various carbon substrates by ion plasma sputtering of platinum metals // Russian J. of Electrochemistry. 2014. Vol. 50, No. 7. P. 638–646.

23. Глухов А.С., Федотов А.А., Григорьев С.А, Кулешов Н.В. Магнетронно-ионное распыление как метод синтеза катализаторов для электрохимических систем с твердополимерным электролитом // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2012. № 4 (108). С.101–107.

24. Федотов А.А., Григорьев С.А, Глухов А.С., Джусь К.А., Фатеев В.Н. Синтез наноструктурированных электрокатализаторов на основе магнетронно-ионного распыления // Кинетика и катализ. 2012. Т. 53, Вып. 6. С. 753–758.

25. RU 2 344 902 C1 B22F 1/02 C23C 14/34 B02C 17/20. РФ. Устройство для нанесения покрытий на порошки / Брязкало А.М., Гольденберг Р.Е., Григорьев С.А., Приставко Ю.Н., Фатеев В.Н. // 27.01.2009/ Бюл. № 3.

26. Фатеев В.Н., Арчаков О.В., Лютикова Е.К., Куликова Л.Н., Порембский В.И. Электролиз воды в системах с твердым полимерным электролитом // Электрохимия. 1993. Т. 29, № 4. С. 551–556.

27. Grigoriev S.A., Porembsky V.I., Fateev V.N. Pure hydrogen production by PEM electrolysis for hy-drogen energy // International Journal of Hydrogen En-ergy. 2006. Vol. 31, issue 2, P. 171–175.

28. Grigoriev S.A., Millet P., Fateev V.N. Evaluation of carbon-supported Pt and Pd nanoparticles for the hy-drogen evolution in PEM water electrolysers // Journal of Power Sources. 2008. Vol. 177. Issue 2. P. 281–285.

29. Searle A.J.F., Tomas A. Hydroxyl free radical production in iron-cysteine solutions and protection by zinc // J. Inorg. Biochem. 1982. Vol. 17. P. 161–166.

30. Sandy Thomas C.E. An affordable hydrogen energy pathway // 15th annual national hydrogen associa-tion meeting. Los Angles, California: 2004.

31. Podlovchenko B.I., Petrii O.A., Frumkin A.N., Hira Lal. The behaviour of a platinized-platinum electrode in solutions of alcohols containing more than one carbon atom, aldehydes and formic acid // J. Electroanal. Chem. 1965. Vol. 11. P. 12–25.

32. Lamy C., Rousseau S., Belgsir E.M., Contanceau C., Leger J.-M. Recent progress in the direct ethanol fuel cell: development of new platinum–tin electrocatalysts // Electrochim. Acta. 2004. Vol. 49. P. 3901–3908.

33. Vigier F., Contanceau C., Perrad A., Belgsir E.M., Lamy C. Development of Anode Catalysts for a Direct Ethanol Fuel Cell // J. Appl. Electrochem. 2004. Vol. 34. P. 439.

34. Parsons R., VanderNoot T. The oxidation of small organic molecules: A survey of recent fuel cell related research // J. Electroanal. Chem. 1988. Vol. 257. P. 9–45.

35. Lamy C., Lima A., LeRhun V., Delime F., Contanceau C., Leger J.-M. Recent advances in the de-velopment of direct alcohol fuel cells (DAFC) // J. Power Sources. 2002. Vol. 105. P. 283–296.

36. Тарасевич М.Р., Кузов А.В., Клюев А.Л., Титова В.Н. Анодные катализаторы для этанольно-кислородного топливного элемента с протонпроводящим полимерным электролитом // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2007. Т. 2. С. 113–117.

37. Цивадзе А.Ю., Тарасевич М. Р., Кузов А.В., Романова И.А. Новые наноразмерные катодные электрокатализаторы, толерантные к этанолу // До-клады Академии Наук. 2008. Т. 421, № 1. С. 72–75.

38. Guo Yonglang, Zheng Dingqin, Liu Huiyong, Friedrich A., Garche J. The effect of metal oxides as co-catalysts for the electro-oxidation of methanol on plati-num–ruthenium // J. New Mat. Electrocnem. System. 2006. Vol. 9. P. 33–39.

39. Colmati F., Antolini E., Gonzales E. R. Ethanol Oxidation on Carbon Supported Pt-Sn Electrocatalysts Prepared by Reduction with Formic Acid // J. Electro-chem. Soc. 2007. Vol. 154. P. 39–47.


Для цитирования:


Фатеев В.Н., Лютикова Е.К., Пименов В.В., Акелькина С.В., Сальников С.Е., Ксинг В. О ВОЗМОЖНОСТИ ЗАПУСКА ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ С ТВЕРДЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2015;(12):28-39. https://doi.org/10.15518/isjaee.2015.12.003

For citation:


Fateev V.N., Lyutikova E.K., Pimenov V.V., Akelkina S.V., Salnikov S.E., Xing W. THE POSSIBILITY OF ELECTROLYZER WITH A SOLID POLYMER ELECTROLYTE START AT LOW TEMPERATURES. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2015;(12):28-39. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2015.12.003

Просмотров: 308


ISSN 1608-8298 (Print)