МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА.
ЭЛЕКТРОЛИЗ
HYDROGEN PRODUCTiON METHODS.
ELECTROLYSiS
Статья поступила в редакцию 01.07.15. Ред. рег. № 2276
The article has entered in publishing office 01.07.15. Ed. reg. No. 2276
УДК 541.138
О ВОЗМОЖНОСТИ ЗАПУСКА ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ С ТВЕРДЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ
ТЕМПЕРАТУРАХ
В.Н. Фатеев1, Е.К. Лютикова1, В.В. Пименов1, C.B. Акелькина1,
С.Е. Сальников1, В. Ксинг2
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» РФ 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1 e-mail: fateev_vn@nrcki.ru 2Чанчуньский институт прикладной химии Академии наук Кита; Китайская Народная Республика 130022, Чанчунь, ул. Жэн Мин, 5625
doi: 10.15518/isjaee. 2015.12.003
Заключение совета рецензентов: 06.07.15 Заключение совета экспертов: 10.07.15 Принято к публикации: 14.07.15
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 °С, 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.
Ключевые слова: электролизер, твердый полимерный электролит, катализатор, водно-спиртовой раствор, водородная энергетика.
THE POSSIBILITY OF ELECTROLYZER WITH A SOLID POLYMER ELECTROLYTE START AT LOW TEMPERATURES
V.N. Fateev1, Е.К. Lyutikova1, V. V. Pimenov1, S. V. Akelkina1, S.E. Salnikov1, W. Xing2
'NRC "Kurchatov Institute" 1 Acad. Kurchatov Sq., Moscow, 123182 Russian Federation e-mail: fateev_vn@nrcki.ru 2Changchun Institute of Applied Chemistry, Chinese Academy of Sciences 5625 Ren Min Str., Changchun, 130022 P.R. China e-mail: ciac@ciac.ac.cn
Referred 6 July 2015 Received in revised form 10 July 2015 Accepted 14 July 2015
The paper deals with the research that covers the possibility of using ethanol in concentrations up to 40 vol. % as an anode depolarizer for the cell with solid polymer electrolyte (PEM) and in order to ensure its start at low temperatures. Platinum, iridium and a solid solution of Pt-Ru (1:1 at. %) were used as the anode catalyst, and Pt on Vulcan XC-72 and Pt-Ru were used as the cathode one. It is shown that in all cases by using water-ethanol solutions with concentrations of ethanol up to 40 vol. % the cell voltage generally increased due to the increase of membrane resistance and decrease of rate of the cathodic process of platinum catalyst passivation/poisoning by ethanol and its oxidation products. Some negative impact has a stronger swell of the membrane-electrode unit in a solution of ethanol, which leads to its partial destruction.
The energy consumption for the production of hydrogen by electrolysis of alcoholic solutions is lower than by water electrolysis, though the economic feasibility of this process is doubtful.
The research demonstrates the electrolysis cell can withstand the freezing at the temperatures in the range of -15 to -20oC. Moreover, the resistance of the membrane in water-ethanol solutions (about 40 vol. %) is not critical at these temperatures. The feed of water-ethanol solutions in the electrolytic cell allows one to start the electrolysis of water at these temperatures at a voltage of 2,0-2,2 V and currents of 0,07-0,13 A/cm2. This ensures the 'cold start' and subsequent self-heating of the electrolysis cell and further using deionized water.
Keywords: elecrolyzer, solid polymer electrolyte, catalyst, water-alcohol solution, hydrogen energy.
ШШтшм
Фатеев Владимир
Николаевич Vladimir N. Fateev
Сведения об авторе: химик, д-р хим. наук, профессор, заместитель руководителя ККФХТ по научной работе НИЦ «Курчатовский Институт».
Образование: МГУ им. М.В. Ломоносова, 1969-1974.
Область научных интересов: физическая химия, электрохимия, наноматериалы, водородная энергетика, электролиз, топливные элементы, электрокатализаторы.
Публикации: более 200.
Information about the author:
chemist, PhD, DSc (chemistry), professor, Deputy Head of KCPCT on scientific work of NRC "Kurchatov Institute".
Education: Lomonosov Moscow State University, 1969-1974.
Research area: physical chemistry, electrochemistry, nanomaterials, hydrogen energy, electrolysis, fuel cells, electrocatalysts.
Publications: more than 200.
M, о ü - С -
с О
Лютикова Елена Константиновна Elena K. Lyutikova
Сведения об авторе: инженер-механик, начальник лаборатории ККФХТ НИЦ «Курчатовский Институт».
Образование: Московский Авиационный Технологический Институт, 1973-1978.
Область научных интересов: водородная энергетика, топливный элемент, твердополимерный электролит, электрокатализ, электролиз.
Публикации: более 20.
Information about the author:
mechanical engineer, chief of laboratory of KCPCT of NRC "Kurchatov Institute".
Education: Moscow Aviation Technology Institute, 1973-1978.
Research area: hydrogen energetics, fuel cell, a solid polymer electrolyte, electrocatalysis, electrolysis. Publications: more than 20.
-О
N
Пименов Виталий
Викторович Vitaliy V. Pimenov
Сведения об авторе: инженер-технолог, технолог ККФХТ НИЦ «Курчатовский Институт».
Образование: Российский химико-
технологический университет, 1996-2002.
Область научных интересов: водородная энергетика, топливный элемент, твердополимерный электролит, электрокатализ, электролиз.
Публикации: более 6.
Information about the author:
technologist-engineer, technologist of KCPCT of NRC "Kurchatov Institute".
Education: D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, 19962002.
Research area: hydrogen energetics, fuel cell, a solid polymer electrolyte, electrocatalysis, electrolysis. Publications: more than 6.
Акелькина Светлана
Владимировна Svetlana V. Akelkina
Сведения об авторе: инженер-химик-технолог, начальник лаборатории НИЦ «Курчатовский Институт».
Образование: Российский химико-
технологический университет, 1980-1986.
Область научных интересов: водородная энергетика, топливный элемент, твердополимерный электролит, электрокатализ, электролиз.
Публикации: более 20.
Information about the author:
engineer-chemist-technologist, chief of laboratory of NRC "Kurchatov Institute".
Education: D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, 19801986.
Research area: hydrogen energetics, fuel cell, a solid polymer electrolyte, electrocatalysis, electrolysis. Publications: more than 20.
Сальников Сергей
Евгеньевич Sergey E. Salnikov
Шп
до "ÍSW
% I
*
Вей Ксинг Xing Wei
Сведения об авторе: инженер-технолог, технолог ККФХТ НИЦ «Курчатовский Институт».
Образование: Российский Химико-
технологический университет, 1996-2002.
Область научных интересов: водородная энергетика, топливный элемент, твердополимерный электролит, электрокатализ, электролиз.
Публикации: более 6.
Information about the author:
technologist-engineer, technologist of KCPCT of NRC "Kurchatov Institute".
Education: D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, 19962002.
Research area: hydrogen energetics, fuel cell, a solid polymer electrolyte, electrocatalysis, electrolysis. Publications: more than 6.
Сведения об авторе: доктор наук, профессор, директор лаборатории источников тока Чанчуньского института прикладной химии Академии наук Китая.
Образование: Чанчуньский институт прикладной химии Академии наук Китая.
Область научных интересов: физическая химия, электрохимия, наноматериалы, электролиз, топливные элементы, электрокатализ.
Публикации: более 200.
м, Sxys, - С -
'и1
Information about the author: PhD, DSc (chemistry), Professor, Director of Laboratory of Advanced Power Sources, Changchun Institute of Applied Chemistry, Chinese Academy of Sciences.
Education: Changchun Institute of Applied Chemistry, Chinese Academy of Sciences.
Researches area: physical chemistry, electrochemistry, nanomaterials, electrolysis, fuel cells, electrocatalysis.
Publications: more than 200.
с о
i-, to I S
Введение
Электролизеры с ТПЭ, как известно, обладают рядом достоинств, таких как высокая эффективность, экологическая чистота, низкая инерционность, большой ресурс и достаточно высокий уровень взрывопожаробезопасности. Электролизеры этого типа представляют существенный интерес для децентрализованной энергетики, аварийного/ резервно -го энергообеспечения и различных специальных областей: авиация, космос, подводный флот и т.п. Однако некоторые факторы, такие как высокая стоимость, во многом обусловленная применением драгметаллов, и относительно высокий расход электроэнергии для производства водорода сдерживают их широкое применение. Еще одним недостатком электролизеров с ТПЭ является ограниченность температурного интервала их эксплуатации выше 0 °С, поскольку реагентом является деионизированная вода. Это значительно сужает возможность
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.