Топливные элементы

В работе рассмотрено влияние газовых примесей в топливе и окислителе на работу щелочного водородно-кислородного топливного элемента (ТЭ).
Показано, что примесь метана по-разному ведёт себя на аноде и катоде, а все остальные газы (кроме инертных), в том числе и СО, являющийся ядом для ТЭ с кислым электролитом, оказывают влияние на работу щелочного ТЭ через реакцию с КОН. Замена электролита на свежий восстанавливает характеристики ТЭ.

С использованием комплексной модели, включающей как решение перколяционной задачи, так и расчёты электрохимической кинетики, рассматриваются особенности работы каталитических слоёв твёрдополимерного топливного элемента с катализатором на основе наноразмерных углеродных материалов, включая графеновые нановолокна. Данные расчётов согласуются с представленными экспериментальными данными по оптимизации состава каталитических слоёв. Показано, что добавка 20 мас. % нановолокон графена способна снизить омические потери по ионному току и повысить производительность топливного элемента на 20%.

Предложены новые механизмы реакции электровосстановления О₂ на перовскитоподобных оксидах LaLi_0.1M_0.1Fe_0.8O_3-d (M = Fe, Co, Ni) и оксиде Li_0.1Ni_0.9O. На их основе в температурном интервале 820–1000 К проведена сравнительная оценка каталитической активности оксидов в расплаве (Li_0.62K_0.38)₂CO₃.

Рассмотрено применение графена при формировании электродов биотопливных элементов. Графен обладает рядом важных характеристик, среди которых в первую очередь отмечают высокую механическую прочность, высокую электропроводность, высокую удельную поверхность, биосовместимость, структурную своеобразность молекулы, а также возможность производить химическую модификацию структуры. Рассмотрено получение, свойства графена и его оксидов, а также особенности использования графена как основы электродов в биотопливных элементах.

Приведены поляризационные характеристики пористых газодиффузионных катодов, приготовленных на основе перовскитоподобных оксидов LaLi_0.1M_0.1Fe_0.8O_3-d (M = Fe, Co, Ni) иоксида Li_0.1Ni0.9O, который обладает кристаллической структурой типа NaCl. Зависимости измерены влабораторной топливной ячейке в температурном интервале 820–1000 К.Показано, что при T < 970К электрохимическая активность катодов сдобавками кобальта иникеля выше, чем активность катода из Li_0.1Ni_0.9O.

Сопоставлены особенности процессов генерации тока в мембранно-электродном блоке (МЭБ) водородо-воздушного (кислородного) топливного элемента (ТЭ) с протонпроводящим (кислым) и анионпроводящим (щелочным) твёрдыми полимерными электролитами. Наряду с параметрами отдельных электродных реакций и характеристиками электролитов рассмотрены эффекты взаимовлияния компонентов МЭБ при работе ТЭ, а также дестабилизирующие факторы, обусловленные как непосредственно протеканием тока, так и присутствием примесей в топливе и окислителе.

Осуществлен синтез катализаторов различной степени дисперсности состава 20 Au/С. Полученные системы исследовали в реакции электровосстановления кислорода методами снятия циклических вольтамперограмм и поляризационных кривых. Установлено повышение скорости и глубины протекания процесса (с повышением числа электронов с 2 до 3.5) при переходе от компактного золота к наночастицам.

На примере трубчатой кислородопроницаемой мембраны из смешанного проводника LaGa_0.65Mg_0.15Ni_0.20O_3-δ, работающей под перепадом химического потенциала кислорода в режиме окисления углеводородов, проведено моделирование химически индуцированного расширения газоплотного керамического материала в изотермических условиях. Моделировалась работа мембран разного радиуса в различных конфигурациях реактора.

Изучены состав и структура каталитического слоя топливного элемента (ТЭ) с твёрдополимерным электролитом (ТПЭ). Максимальная производительность ТЭ наблюдалась при содержании полимера в слое 25–30 об.% при работе на воздухе и 30–35 об.% при работе на кислороде. При варьировании количества наносимой каталитической композиции максимальные плотности тока были получены при наносе слоя 1.75 мг/см², снижение этого значения в 2 раза приводит к падению плотности тока всего на 10%.

Методом вращающегося дискового электрода оценена эффективность работы редокс-медиаторов (метиленового синего, нейтрального красного и галлоцианина) в биоэлектрохимической системе глюкоза - клетки Escherichia соli-медиатор. Определены коэффициенты диффузии исследуемых медиаторов. Показано, что эффективными обратимыми переносчиками электронов при работе биоанода на основе клеток Escherichia coli являются редокс-медиаторы метиленовый синий и галлоцианин.