Метанол - бесцветная жидкость плотностью 0,791 г/см3, tкип +64,509°С. Метанол является весьма высокоэнергоемким соединением: его удельная плотность энергии составляет 6,305 Вт*ч/г. Это легковоспламеняющаяся жидкость (tвспышки = +15,6°С). Кроме того, метанол токсичен: летальная доза для человека (LD100) составляет 5628 мг/кг, однако описаны случаи, когда смерть наступала при приеме внутрь 30 мл чистого метанола. ПДКмр (максимальный разовый) паров метанола в воздухе составляет 1 мг/м3, ПДКсс (среднесуточный) составляет 0,5 мг/м3.
Метанол как топливо для ТЭ[]
- Метанол в топливных элементах
Метанол уже давно считался наиболее подходящим жидким топливом для ТЭ. Для того, чтобы получить максимальную энергию из молекулы спирта, нужно провести реакцию до конца, т.е. до образования СО2. Для этого необходимо разорвать химические связи в исходной молекуле. При этом особенность протекания реакций на катализаторах состоит в том, что связь углерод-углерод разрывается намного тяжелее, чем остальные, и разложение всех соединений, содержащих такую связь, при низких температурах происходит не полностью. В молекуле метанола только один атом углерода, и этой проблемы не возникает.
Суммарная электрохимическая реакция, происходящая в прямом метанольном ТЭ (ПМТЭ):
CH3OH+3/2O2 = CO2+2H2O (2.1)
Восстановление кислорода на катоде: O2+4H++4e- = 2H2O (2.2)
Окисление метанола на аноде:
CH3OH+H2O=CO2+6H++6e- (2.3)
При температуре +25°С ΔG этой реакции составляет –698,5 кДж/моль метанола, ЭДС реакции = 1,21В.
При разложении 1 молекулы метанола образуется 6 электронов и 6 протонов.
Возможность и эффективность использования метанола в качестве топлива для мини-ТЭ подтверждена многочисленными работами, в т.ч. проведенными в РНЦ «Курчатовский институт».
Таким образом, преимуществами использования метанола являются:
- электроокисление на существующих катализаторах проходит полностью;
- процесс хорошо изучен;
- метанол обладает достаточно высокой энергоемкостью;
- низкая стоимость;
- наличие массового промышленного производства.
Недостатки:
- образование газообразного продукта реакции – углекислого газа;
- сильная проницаемость существующих мембран по метанолу и, как следствие, непроизводительные потери топлива, необходимость сильного разбавления топливного раствора водой (до 1-2М раствора), снижение эффективности катодного процесса;
- токсичность;
- метанол является ЛВЖ.
Схема работы прямого метанольного топливного элемента[]
На рисунке приведена схема работы метанольного топливного элемента. Топливо – водный раствор метанола – поступает на топливный электрод, где на катализаторе происходит разложение метанола с образованием шести электронов, шести протонов и одной молекулы СО2 на 1 молекулу метилового спирта. При замыкании внешней цепи под действием разности потенциалов, установившейся между электродами, электроны через нагрузку переходят на кислородный электрод. Под действием той же разности потенциалов протоны через полимерный электролит в гидратированной форме переносятся на катод, где рекомбинируют с электронами и кислородом с образованием воды.
На сегодняшний день достигнуты значительные успехи в создании топливных элементов с прямым окислением метанола. Так, получаемые плотности тока достигают 300 мА/см2 и даже выше. Однако в случае работы на воздухе и при температуре окружающей среды удельная мощность обычно не превышает 20 мВт/см2 при рабочем напряжении 0,4В.
Принципиальная схема источника энергии на основе ПМТЭ[]
Бокач Д.А.: Cформулированы рекомендации по разработке конструкции источников энергии на основе ПМТЭ. Даны рекомендации по их аппаратурному оформлению, температурному режиму работы, концентрации топливной смеси. Предложена принципиальная технологическая схема источника энергии на основе ПМТЭ.
Отличием данной схемы является использование чистого метанола и системы смешения для создания топливной смеси с рабочей концентрацией и наличие конденсатора на выходе из катодного пространства, позволяющего осуществлять рецикл воды и поддерживать постоянную концентрацию топливной смеси.