Научная статья на тему 'Электрохимические водородные компрессоры/концентраторы на основе твердополимерного электролита'

Электрохимические водородные компрессоры/концентраторы на основе твердополимерного электролита Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
343
75
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВОДОРОД / ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ КОМПРЕССОР/КОНЦЕНТРАТОР / ТВЕРДОПОЛИМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИТ / МОДИФИЦИРОВАННАЯ МЕМБРАНА / ELECTROCHEMICAL COMPRESSOR/CONCENTRATOR / HYDROGEN / SOLID POLYMER ELECTROLYTE / MODII ED MEMBRANE

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Григорьев Сергей Александрович, Коробцев Сергей Владимирович

В статье рассмотрены устройство, принцип действия и перспективы применения электрохимических водородных компрессоров/концентраторов на основе твердополимерного электролита (ТПЭ), обладающих высокой селективностью по водороду и позволяющих получать высокочистый (объемная доля до 99,72 % и выше) водород высокого давления при энергозатратах на процесс не более 0,6 кВтч на 1 м3 водорода (суммарные затраты на очистку и компримирование). Описываются технические подходы к созданию модифицированных газоплотных ТПЭ-мембран и каскадной схемы электрохимической батареи, позволяющих получать высокочистый водород под давлением несколько десятков мегапаскалей.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Григорьев Сергей Александрович, Коробцев Сергей Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Electrochemical hydrogen compressors/concentrators based on solid polymer electrolyte

Feature, principle of operation and prospective of application of electrochemical hydrogen compressors/concentrators based on solid polymer electrolyte (SPE) are considered. SPE hydrogen compressors/concentrators demonstrate high selectivity for hydrogen and allow to receive high purity (up to 99,72 vol. % and more) and high pressure (up to several tens of atmospheres) hydrogen at power costs on process no more than 0,6 kWh/m3 of hydrogen (overall power inputs for clearing and compressing). Technical approaches for development of modii ed SPE-membranes with reduced gas cross-permeation and the cascade scheme of the electrochemical stack allowing to receive high purity hydrogen under pressure of several hundreds atmospheres are described.

Текст научной работы на тему «Электрохимические водородные компрессоры/концентраторы на основе твердополимерного электролита»



учные разработки и исследования

ш

Электрохимические водородные компрессоры/концентраторы на основе твердополимерного электролита

С.А. Григорьев,

доцент, начальник лаборатории Федерального государственного бюджетного учреждения «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», к.т.н., С.В. Коробцев,

директор Института водородной энергетики и плазменных технологий, к.ф.-м.н.

В статье рассмотрены устройство, принцип действия и перспективы применения электрохимических водородных компрессоров/концентраторов на основе твердополимерного электролита (ТПЭ), обладающих высокой селективностью по водороду и позволяющих получать высокочистый (объемная доля до 99,72 % и выше) водород высокого давления при энергозатратах на процесс не более 0,6 кВт-ч на 1 м3 водорода (суммарные затраты на очистку и компримирование). Описываются технические подходы к созданию модифицированных газоплотных ТПЭ-мембран и каскадной схемы электрохимической батареи, позволяющих получать высокочистый водород под давлением несколько десятков мегапаскалей.

Ключевые слова: водород, электрохимический компрессор/концентратор, твердополимерный электролит, модифицированная мембрана.

Electrochemical hydrogen compressors/concentrators based on solid polymer electrolyte

S.A. Grigoryev, S.V. Korobtsev

Feature, principle of operation and prospective of application of electrochemical hydrogen compressors/concentrators based on solid polymer electrolyte (SPE) are considered. SPE hydrogen compressors/concentrators demonstrate high selectivity for hydrogen and allow to receive high purity (up to 99,72 vol. % and more) and high pressure (up to several tens of atmospheres) hydrogen at power costs on process no more than 0,6 kWxh/m3 of hydrogen (overall power inputs for clearing and compressing). Technical approaches for development of modified SPE-membranes with reduced gas cross-permeation and the cascade scheme of the electrochemical stack allowing to receive high purity hydrogen under pressure of several hundreds atmospheres are described.

Keywords: hydrogen, electrochemical compressor/concentrator, solid polymer electrolyte, modified membrane.

Сегодня стало особенно очевидным, что экономика, основанная на использовании нефти и газа при всех ее неоспоримых преимуществах, неотвратимо ведет к энергетическому и экологическому кризисам, геополитическим потрясениям, связанным с ограниченностью запасов и неравномерным распределением ископаемых ресурсов на планете. Осознание этого дает мощный импульс развитию исследований в области поиска альтернативных энергоносителей и их коммерциализации. В частности, прорабатывается концепция водородной энергетики [1], которая предполагает получение водорода с использованием возобновляемых источников (солнечных, ветровых, геотермальных и т.д.) или атомной энергии [2], его хранение, транспортировку и эффективное использование в энергетике, химической, металлургической, металлообрабатывающей, пищевой и других областях. В первую очередь концепция водородной энергетики ориентирована на использование водорода в качестве универсального топлива для транспортных энергетических установок [3, 4], которые являются основными потребителями ископаемого топлива и загрязнителями окружающей среды (на долю транспорта приходится до 90 % атмосферных загрязнений в мегаполисах). Также в последнее время технологии водородной энергетики рассматриваются в проектах децентрализованного тепло- и электроснабжения промышленных и коммунальных объектов, а также для резервного энергообеспечения.

Для создания водородной инфраструктуры, а также для ряда областей промышленности и энергетики перспективным является внедрение электрохимических концентраторов/компрессоров водорода на

'"Oow**? I

Научные разработки и исследова

основе твердополимерного электролита. Электрохимические концентраторы/компрессоры водорода могут быть применены для очистки водорода, используемого при охлаждении турбин, выделения водорода из продуктов конверсии органического топлива, сбросных газов топливных элементов и смесей водорода с природным газом (хитан), концентрирования и разделения изотопов водорода (охлаждение ядерных реакторов) и т.п.

Сжатие водорода с помощью традиционных механических компрессоров имеет ряд недостатков, к которым относятся низкая эффективность процесса и высокие энергозатраты на его осуществление, износ и наводораживание элементов компрессора, шум, громоздкость и загрязнение водорода смазочными материалами. Электрохимические водородные компрессоры с ТПЭ лишены указанных выше недостатков. В частности, электрохимические компрессоры водорода эффективнее традиционных (мембранных и поршневых) в области низких мощностей [5]. На выходе получают высокочистый водород (возможны примеси водяного пара). Так, чистота водорода может достигать 99,72% (при начальном содержании водорода 30 % в смеси Н2/^/СО2) [6].

Как и в других электрохимических системах с ТПЭ в водородном компрессоре (рис. 1) используются мембраны марки Nafion или их аналоги, электрокатализаторы на основе металлов платиновой группы, газодиффузионные электроды в виде пластин пористого титана, углеродной ткани или бумаги [5-8]. В случае, когда на анод подаются смеси, содержащие, помимо водорода, СО, Н2Б и другие газы, отравляющие платиновый электрокатализатор, возможно применение катализатора в виде сплава Р1Ри на углеродном

носителе и подобных СО-стойких каталитических материалов.

Так же, как и в случае других ТПЭ-систем (топливных элементов, электролизеров воды), одной из основных характеристик водородного компрессора является его вольт-амперная кривая (рис. 2). Удельные энергозатраты на выделение/сжатие водорода определяются произведением плотности тока на напряжение водородного компрессора м> = Ш.

При этом напряжение можно рассчитать по уравнению

и=Е+Еа+Ек+Ш, где Е - потенциал Нернста электрохимического элемента при данных температуре и давлении; Еа - анодное перенапряжение; Ек - катодное перенапряжение; ¡И - омические потери.

При комнатной температуре £ = £■<> +(Д772^)1п(рк/ра), где Е0 = 0 - стандартное значение потенциала реакции, зависящее от температуры; И - универсальная газовая постоянная; Т - температура; Г - постоянная Фарадея; рк , ра - давления газов в катодной и анодной зонах.

Анодная реакция (положительный электрод) имеет вид

Н2 21Г + 2ё.

Потенциал Нернста

Еоа = 0, £а =(Д7У2^)1п((ан+)2/Ра).

Катодная реакция (отрицательный электрод) 2Н+ + 2ё -> Н2. Потенциал Нернста Еок = 0, £к =(RT/2F)ln((au+)2/pK). Суммарная реакция, протекающая в водородном компрессоре: Игр а —> Игр,.

Как правило, удельные суммарные энергозатраты на очистку и компримирование водорода в электрохимическом компрессоре/концентраторе с ТПЭ составляют не более 0,6 кВт-ч/м3.

Важной характеристикой электрохимического водородного компрессора является перепад давлений между катодной и анодной камерами, то есть давление, создаваемое компрессором, которое может достигать нескольких мегапаскалей [5, 7] на одном электрохимическом элементе.

Основным фактором, сдерживающим дальнейшее повышение давления, является обратная диффузия водорода через ТПЭ-мембрану, снижающая эффективность работы системы. Для снижения перетока водорода могут быть применены газоплотные мембраны, получаемые в результате модификации стандартных мембранных материалов органическим наполнителем, например, фосфатом циркония.

Углеродная бумага с гидрофобным подслоем

Анод

Н2 —» 2Н++2е

Pt40/Vulcan ХС-72 (гидрофобный)

ТПЭ-мембрана

Пористый титан

Катод

2Н++2е -> Н2

Pt40/Vulcan ХС-72

Рис. 1. Схема мембранно-электродного блока электрохимического водородного компрессора/концентратора с ТПЭ [7]

I ,.ifffflTmTTTr„- Д|Дн4Д1<

«Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (23) октябрь 2011 г.

Научные разработки и исследования

и, в

0,3 -

0,2 -

0,1 -

0 - г*Т . I , I I 1 I I I I 1

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 i,А/см 2

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика водородного компрессора при температуре 75 °С (данные НИЦ «Курчатовский институт»)

Работы по созданию модифицированных мембран для электрохимических систем на основе ТПЭ ведутся НИЦ «Курчатовский институт», ЗАО «МИПФВТ» и ООО «ФАСТ ИНЖИНИРИНГ М» в сотрудничестве с ОАО «Пластполимер» при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы».

Для достижения высоких давлений (до нескольких десятков мега-паскалей) может быть применена так называемая каскадная схема, согласно которой отдельные электрохимические элементы соединяются в батарее последовательно по газу. В этом случае в первый элемент батареи подается водородсодержащая смесь при низком (например, атмосферном) давлении p0, и элемент выдает на выходе водород под давлением p1. Далее газ под давлением p1 поступает в следующий элемент, который сжимает его до давления p2 и т.д. В результате батарея, состоящая из n элементов, способна поднять давление водорода с p0 до np1. В частности, авторы патента [9] применили такую схему для достижения давления водорода 12 000 psi (« 84 МПа), что соответствует требованиям, предъявляемым к системам заправки газовых баллонов транспортных средств на топливных элементах.

Таким образом, электрохимические водородные компрессоры/концентраторы с ТПЭ перспективны, в первую очередь, для демонстрационных проектов водородной энергетики, предполагающих различные

технологические процессы, связанные с одновременной очисткой и сжатием водорода. Они могут применяться в энергетике и химической промышленности для высокоселективного разделения смесей на основе водорода с последующим комприми-рованием последнего. Дальнейшая оптимизация и снижение стоимости топливных элементов и электролизеров воды с ТПЭ, использующих те же каталитические, электродные и мембранные материалы, что и водородные компрессоры/концентраторы, позволят снизить стоимость последних, способствуя их широкомасштабному внедрению.

Литература

1. Козлов С.И, Фатеев В.Н. Водородная энергетика: современное состояние, проблемы, перспективы / Под ред. Е.П. Велихова, М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2009. - 520 с.

2. Григорьев С.А., Порембский В.И., Фатеев В.Н., Самсонов Р.О., Козлов С.И. Получение водорода электролизом воды - современное состояние, проблемы и перспективы // Транспорт на альтернативном топливе. - 2008. - № 3. - С. 62-69.

3. Дугин Г.С., Григорьев С.А. Новые возможности использования топливных элементов на транспортных средствах // Транспорт на альтернативном топливе. - 2010. - № 2 (14). - С. 76-78.

4. Янченко В.С., Григорьев С.А., Фокин Ю.И. Перспективы применения электрохимических генераторов на основе топливных элементов в строительной и коммунальной мобильной технике // Транспорт на альтернативном топливе. - 2010. - № 4 (16). - С. 71-73.

5. Strobe! R., Oszcipok M., Fasil M., Rohland B., Jorissen L. and Garche J. "The compression of hydrogen in an electrochemical cell based on a PE fuel cell design" // Journal of Power Sources, Volume 105, Issue 2, pp. 208-215.

6. Lee H.K., Choi H.Y., Choi K.H., Park J.H., Lee T.H. "Hydrogen separation using electrochemical method" // Journal of Power Sources, 2004, 131, (1-2), 92-98.

7. S.A. Grigoriev, I.G. Shtatniy, P. Millet, V.I. Porembsky, V.N. Fateev "Description and characterization of an electrochemical hydrogen compressor/concentrator based on solid polymer electrolyte technology" // International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 36, Issue 6, March 2011, pp. 4148-4155.

8. M.-T. Nguyen, S.A. Grigoriev, A.A. Kalinnikov, A.A. Filippov, P. Millet, V.N. Fateev "Characterisation of a electrochemical hydrogen pump using electrochemical impedance spectroscopy" // Journal of Applied Electrochemistry, 2011, in press.

9. Wong T.Y.H., Girard F. and Vanderhoek T.P.K. Electrochemical SPEFC hydrogen compressor Patent W0/2003/075379, 12 September 2003, Applicant: National Research Council of Canada.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.