Топливный элемент с прямым этанолом

Топливные элементы с прямым этанолом или DEFC — это категория топливных элементов , в которых этанол подается непосредственно в элемент. Они использовались в качестве модели для исследования ряда концепций топливных элементов, включая использование PEM . ^[1]

Преимущества

DEFC использует этанол в топливном элементе вместо более токсичного метанола . Этанол является привлекательной альтернативой метанолу, поскольку он поставляется с уже существующей цепочкой поставок. Этанол также остается более простым в работе топливом для широкого использования потребителями.

Этанол — это богатая водородом жидкость, которая имеет высокую удельную энергию (8,0 кВт·ч/кг) по сравнению с метанолом (6,1 кВт·ч/кг). Этанол можно получить в больших количествах из биомассы с помощью процесса ферментации из возобновляемых ресурсов, таких как сахарный тростник , пшеница , кукуруза или даже солома . Биогенерированный этанол (или биоэтанол) таким образом привлекателен, поскольку выращивание культур для биотоплива поглощает большую часть углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу из топлива, используемого для производства биотоплива, и от сжигания самого биотоплива. Это резко контрастирует с использованием ископаемого топлива . Использование этанола также преодолеет как проблему хранения, так и инфраструктурную проблему водорода для топливных элементов. В топливном элементе окисление любого топлива требует использования катализатора для достижения плотностей тока, необходимых для коммерчески жизнеспособных топливных элементов, и катализаторы на основе платины являются одними из наиболее эффективных материалов для окисления небольших органических молекул.

Реакция

DEFC, подобно DMFC , полагается на окисление этанола на слое катализатора с образованием углекислого газа . Вода потребляется на аноде и производится на катоде . Протоны (H ⁺ ) переносятся через протонообменную мембрану к катоду, где они реагируют с кислородом с образованием воды. Электроны переносятся по внешней цепи от анода к катоду, обеспечивая питание подключенных устройств.

Полуреакции следующие :

	Уравнение
Анод	$\mathrm {C_{2}H_{5}OH+3\ H_{2}O\to 12\ H^{+}+12\ e^{-}+2\ CO_{2}}$ окисление
Катод	$\mathrm {3\ O_{2}+12\ H^{+}+12\ e^{-}\to 6\ H_{2}O}$ снижение
Общая реакция	$\mathrm {C_{2}H_{5}OH+3\ O_{2}\to 3\ H_{2}O+2\ CO_{2}}$ окислительно-восстановительная реакция

Проблемы

Катализаторы на основе платины дороги, поэтому практическое использование этанола в качестве топлива для топливного элемента PEM требует нового катализатора. Были разработаны новые наноструктурированные электрокатализаторы (например, HYPERMEC от ACTA SpA), которые основаны на неблагородных металлах, предпочтительно смесях Fe , Co , Ni на аноде и Ni, Fe или Co по отдельности на катоде . С этанолом были получены плотности мощности до 140 мВт/см2 ^при 0,5 В при 25 °C с самодышащими ячейками, содержащими коммерческие анионообменные мембраны . ^[2] Этот катализатор не содержит никаких драгоценных металлов . На практике крошечные металлические частицы фиксируются на подложке таким образом, что они производят очень активный катализатор.

Полимер действует как электролит . Заряд переносится ионом водорода ( протоном ). Жидкий этанол (C2H5OH ₎ окисляется на аноде в присутствии воды, образуя CO2 _, ионы водорода и электроны . Ионы водорода проходят через электролит. Они реагируют на катоде с кислородом из воздуха и электронами из внешней цепи, образуя воду _.

Топливные элементы на основе биоэтанола могут улучшить баланс между скважиной и колесом этого биотоплива из-за повышенной скорости преобразования топливного элемента по сравнению с двигателем внутреннего сгорания. Но реальные мировые показатели могут быть достигнуты только через несколько лет, поскольку разработка прямых метаноловых и этаноловых топливных элементов отстает от водородных топливных элементов. ^[3]

Достижения

13 мая 2007 года команда из Университета прикладных наук в Оффенбурге представила первый в мире автомобиль, работающий на DEFC, на Эко-марафоне Shell во Франции. Автомобиль «Schluckspecht» успешно прошел тест-драйв на трассе Ногаро, работая на стеке DEFC, который выдавал выходное напряжение от 20 до 45 В (в зависимости от нагрузки). ^[4]

Были созданы и испытаны различные прототипы зарядных устройств для мобильных телефонов на основе прямого этанолового топливного элемента ^[5] с напряжением от 2 В до 7 В и мощностью от 800 мВт до 2 Вт ^[6] .

Смотрите также

Ссылки

^ Badwal, SPS; Giddey, S.; Kulkarni, A.; Goel, J.; Basu, S. (май 2015 г.). «Прямые этанольные топливные элементы для транспортных и стационарных приложений — всесторонний обзор». Applied Energy . 145 : 80–103. doi :10.1016/j.apenergy.2015.02.002.
^ "Прямой этанольный топливный элемент". en.fcc.gov.ir . Получено 20 января 2016 г. .^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ Топливные элементы FCT: Типы топливных элементов Архивировано 27 сентября 2006 г. на Wayback Machine
^ Студенты Оффенбурга испытывают первый в мире автомобиль на топливных элементах, работающий на этаноле
^ Зарядное устройство DEFC-Powered - Гонконгский университет науки и технологий. Архивировано 7 марта 2014 г. на Wayback Machine.
^ Badwal, SPS; Giddey, S.; Kulkarni, A.; Goel, J.; Basu, S. (май 2015 г.). «Прямые этанольные топливные элементы для транспортных и стационарных приложений — всесторонний обзор». Applied Energy . 145 : 80–103. doi :10.1016/j.apenergy.2015.02.002.

Источники

Мембраны для DEFC - Институт Фраунгофера по межфазной инженерии и биотехнологии
ДЭФК мембрана

Дальнейшее чтение

«Новый катализатор повышает эффективность водорода в качестве транспортного топлива». Алок Джа. 21 августа 2008 г. The Guardian .

[1] Badwal, SPS; Giddey, S.; Kulkarni, A.; Goel, J.; Basu, S. (май 2015 г.). «Прямые этанольные топливные элементы для транспортных и стационарных приложений — всесторонний обзор». Applied Energy . 145 : 80–103. doi :10.1016/j.apenergy.2015.02.002.

[2] "Прямой этанольный топливный элемент". en.fcc.gov.ir . Получено 20 января 2016 г. .^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[3] Топливные элементы FCT: Типы топливных элементов Архивировано 27 сентября 2006 г. на Wayback Machine

[4] Студенты Оффенбурга испытывают первый в мире автомобиль на топливных элементах, работающий на этаноле

[5] Зарядное устройство DEFC-Powered - Гонконгский университет науки и технологий. Архивировано 7 марта 2014 г. на Wayback Machine.

[6] Badwal, SPS; Giddey, S.; Kulkarni, A.; Goel, J.; Basu, S. (май 2015 г.). «Прямые этанольные топливные элементы для транспортных и стационарных приложений — всесторонний обзор». Applied Energy . 145 : 80–103. doi :10.1016/j.apenergy.2015.02.002.