авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Мембранно-электродный блок для генерации электролизного водорода в автомобильных двигателях

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ГОРШКОВ Николай Вячеславович

Мембранно-электродный блок для генерации электролизного водорода в автомобильных двигателях

Специальность 02.00.05 - Электрохимия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2011

Диссертация выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Михайлова Антонина Михайловна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Соловьёва Нина Дмитриевна

кандидат химических наук

Варакин Игорь Николаевич

Ведущая организация: ОАО «Завод автономных источников тока»,

г. Саратов

Защита состоится «18» марта 2011 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.09 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус I, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовского государственного технического университет».

Автореферат размещен на сайте Саратовского государственного технического университета – http://www.sstu.ru «18» февраля 2011 года.

Автореферат разослан «18» февраля 2011 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета В. В. Ефанова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Наибольшая доля химического загрязнения окружающей среды приходится на отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания. Теоретически предполагается, что при полном сгорании топлива образуются углекислый газ и водяной пар. Современные двигатели внутреннего сгорания (ДВС) обладают рядом отрицательных характеристик: низкий коэффициент полезного действия (КПД); высокая токсичность выхлопных газов; высокий расход топлива.

Для улучшения вышеуказанных показателей используется такое инженерное решение, как активация топливовоздушного заряда. В качестве активатора могут использоваться керосин, биотопливо, спирты, водород и др. Для реализации этого решения на автомобиль устанавливается дополнительная система подачи активатора в автомобильных двигателях. Водород как моторное топливо, обладает рядом несомненных преимуществ, позволяющих использовать его в качестве добавки, инициирующей процессы воспламенения и горения топливовоздушной смеси.

В настоящее время газообразный водород получают главным образом в процессе высокотемпературной газификации каменного угля или продуктов перегонки нефти; при этом приходится отделять водород от моноксида углерода. Такой водород не является возобновляемым, к тому же он недостаточно чист для многих применений. В качестве наилучшего метода получения высокочистых продуктов обычно рассматривают электролиз воды, который позволяет получать водород и кислород достаточной степени чистоты до 99,9 %.

Возросший интерес к системам с добавкой водорода в горючую смесь в различных пропорциях стимулировал развитие технических устройств с использованием автономных источников водорода, например на базе электролизёра или гидридных накопителей.



Применение твердых электролитов (ТЭЛ) в электролизерах имеет существенные преимущества перед ионными растворами. С их помощью достигаются компактность, простота конструкционного исполнения, возможность работы в широком интервале температур и т.д.

Поэтому исследовательская работа по созданию мембранно-электродных блоков (МЭБ) на основе ТЭЛ, обладающих вышеперечисленными свойствами, является на сегодняшний день решением актуальной задачи.

Целью настоящей работы является разработка электрохимического способа генерации и добавки водорода в топливовоздушную смесь ДВС автомобиля.

Достижение поставленной цели осуществляется посредством решения следующих задач:

  1. На основе анализа периодической и патентной литературы провести выбор материалов, входящих в мембранно-электродный блок электрохимических ячеек.
  2. Определить электрофизические характеристики и состав «H+-ТЭЛ» физико-химическими методами.
  3. Исследовать ячейки с «H+-ТЭЛ» в контакте с инертными и обратимыми электродами электрохимическими методами: методом импеданса, методами вольтамперометрии.
  4. Оценить возможность использования мембранно-электродного блока для генерации водорода.
  5. Разработать схему интеграции электролизёра в автомобильный двигатель.
  6. Оценить экологичность и экономичность битопливного ДВС автомобиля.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

  • Получен новый полимерный «H+-ТЭЛ» на основе сульфосалициловой кислоты (ССК) распределённой в матрице полиакрилонитрила (ПАН).
  • Предложена эквивалентная схема, моделирующая частотные зависимости действительной и мнимой компонент входного импеданса, и рассчитаны кинетические параметры путем анализа частотной зависимости импеданса границы «H+-ТЭЛ»/Me.
  • Определены ионная составляющая проводимости, которая имеет порядок 10-2 Ом-1см-1 и электронная методом Хебба-Вагнера в постоянном токе, которая имеет порядок 10-6 Ом-1см-1.
  • Определены параметры процесса электрохимического поведения границы Ni,H2/«H+-ТЭЛ»/Ni,H2 методами вольтамперометрии в постоянном токе.

Практическая значимость результатов работы

  1. Разработана технология получения ионного проводника с проводимостью по ионам водорода, который может быть использован в плёночном варианте «H+-ТЭЛ» для различных преобразователей энергии и информации.
  2. По результатам исследований предложен вариант МЭБ для электролизёра на основе выбранной электрохимической системы.
  3. Разработана схема интеграции генератора водорода в двигатель.
  4. Результаты данной диссертационной работы рекомендованы к внедрению на ОАО «Завод автономных источников тока», г. Саратов, ОАО СГАТП-6, г. Саратов.
  5. Полученные в работе данные исследования системы Me/«H+-ТЭЛ»/Me могут быть использованы в учебном процессе при чтении лекций по дисциплинам «Электрохимия» и «Физическая химия» для студентов автомеханического и физико-технического факультетов Саратовского государственного технического университета и других вузов РФ.

На защиту выносятся следующие основные положения:

  • Разработка технологии получения протонпроводящего твёрдого электролита.
  • Результаты комплексного исследования «H+-ТЭЛ» обладающего свойствами ионпроводящего электролита.
  • Результаты комплексного исследования поведения границ Me/«H+-ТЭЛ».
  • Разработка макета МЭБ для электролизёра на основе систем Me/«H+-ТЭЛ»/Me и схема его размещения в ДВС.

Апробация результатов работы

Результаты работы доложены на III Международном симпозиуме по водородной энергетике (Москва, 2009); XXII Межгосударственном научно- техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания» (Саратов, 2009); V Международной научно-технической конференции «Композит - 2010» (Саратов, 2010), 9 Международном Фрумкинском симпозиуме «Материалы и технологии электрохимии 21 века» (Москва, 2010), V Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» «АНТЭ-09» (Казань, 2009); Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых
«Инновации и актуальные проблемы техники и технологий 2010» (Саратов, 2010); Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых
«Инновации и актуальные проблемы техники и технологий 2009» (Саратов, 2009); XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-21 (Саратов, 2008).

Публикации

По материалам диссертации получены приоритетная справка и решение о выдаче патента на полезную модель, опубликованы 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 12 статей в сборниках трудов и материалах конференций.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, 5 глав, выводов и списка использованной литературы. Диссертация изложена на 125 страницах, включает 56 рисунков, 13 таблиц, список использованной литературы состоит из 130 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость выполненной работы.

В первой главе представлен литературный обзор, посвященный применению водорода в автомобильном транспорте, способам получения водорода на борту автомобиля.

Во второй главе приведены данные по используемым реагентам, методам синтеза ионпроводящего полимерного электролита на основе сульфосалициловой кислоты, распределённой в матрице полиакрилонитрила, методика сборки электрохимических ячеек, обосновано использование электрохимических методов исследования: вольтамперометрии, импеданса и классических методов физико-химического анализа твердой фазы.

При выполнении работы в качестве исходных компонентов использовались следующие материалы: сульфосалициловая кислота (ССК) ГОСТ 4478-68, полиакрилонитрил (ПАН) ГОСТ 13232-70, диметилформамид (ДМФ) ГОСТ 20289-74, никель различной пористости в зависимости от способа получения. Материалы электродов были предоставлены НИИ ХИТ-2.

Термоаналитические исследования проводились на приборе «Дериватограф ОД-103». Навеска образца составляла 200 мг при чувствительности весов ±2 мг. Нагрев производился на воздухе со скоростью 10 0С/мин до 1000 0С.

Фазовый состав электролита контролировался рентгенофазовым анализом (РФА) с использованием установки ДРОН-4.0 с применением рентгеновской трубки с медным анодом
(Сu-Kизлучение).

Снятие ИК-спектров проводилось на Фурье-спектрометре INFRALUM FT 801 в виде тонких пленок в диапазоне 500 – 4000 см-1.

Для исследования электрохимических характеристик использовали гальваностатический, потенциостатический методы и методы циклической вольтамперометрии с линейной развёрткой потенциала с использованием потенциостата PS-7 фирмы Elins с выводом на компьютер.

Измерения импеданса проводились импедансметром Z-350 фирмы Elins в интервале частот от 100 кГц до 0,1 кГц. Исследования проводились на электродах в состоянии равновесия и при гальваностатической нагрузке. Перед измерением проводимости образцы «Н+ТЭЛ» выдерживали в атмосфере с контролируемой влажностью, собирали симметричные ячейки и герметизировали. После герметизации ячейки помещали в специальное поджимное устройство, которое устанавливали в термостат «ТС-1/20 СПУ» (точность поддержания температуры ±0,5 0С) и проводили измерения. Параметры эквивалентной схемы были получены подгонкой расчетной кривой к экспериментальным данным при помощи программы EIS Spectrum Analyser. С помощью графоаналитического метода путем экстраполяции высокочастотной области годографа на ось активных сопротивлений вычислялось полное сопротивление системы. Значение удельной проводимости рассчитывалось из соотношения =d/(ReS), где d – толщина образца, S – площадь поверхности электрода.

В третьей главе представлены результаты комплексного исследования твёрдого электролита.

Для изучения проводимости «H+-ТЭЛ» проводились измерения в переменном токе методом импеданса (рис. 1). Для этого были собраны симметричные ячейки с инертными титановыми электродами.

 а б Годографы импеданса: а--1 а б
Рис. 1. Годографы импеданса: а- экспериментальный и расчётный годографы импеданса Z”=f(Z’) «H+ - ТЭЛ» на основе ССК; б- экспериментальные годографы импеданса Z”=f(Z’) «H+ - ТЭЛ» на основе ССК при температурах от 298 – 338 К при относительной влажности 52%

На рис. 2 представлена эквивалентная схема, использованная для интерпретации экспериментальных годографов импеданса Z”=f(Z’) «H+ ТЭЛ» (рис. 1 а). Температурную зависимость изучали в интервале температур от 298 – 338 К при относительной влажности 52%. Используя метод компьютерной оптимизации, рассчитывались значения сопротивления электролита R1, емкости двойного электрического слоя C1, постоянная Варбурга W2,W3, адсорбционные емкости C2, C3 и сопротивления R2, R3 (табл. 1). Как видно из рис. 1 б с повышением температуры происходит увеличение электропроводности композита 0., что характерно для ионного типа носителя заряда.

 Эквивалентная схема для расчета-3
Рис. 2. Эквивалентная схема для расчета спектров имепеданса 1




Таблица 1

Электрохимические параметры системы Ti/«H+ТЭЛ»/Ti

Т, К 298 308 318 328 338
C3, мкФ/см2 79,16 56,34 85,4 46,5 0
W3, Омсм2/с1/2 171,58 205,6 180,3 175,8 0
R3, Омсм2 93,26 104,56 113,3 124,7 135,4
C2, мкФ/см2 70,4 60,65 65,8 87,7 93,5
W2, Омсм2/с1/2 169,07 185,8 145,4 178,7 150,6
R2, Омсм2 0,48 4,7 32,6 14,4 13,8
C1, мкФ/см2 4,02 6,65 9,78 15,67 26,5
0, Ом-1см-1 1,7910-2 2,110-2 2,5410-2 3,0710-2 3,2910-2





Рис. 3. Температурная зависимость проводимости «H+ -ТЭЛ»


Температурная зависимость 0 удовлетворительно аппроксимируется в координатах Аррениуса. На основании данных, полученных в результате эксперимента, был построен график зависимости lnТ от 1/T для «H+-ТЭЛ» (рис. 3), который имел линейный характер. Из наклона линейного участка были рассчитаны энергия активации и предэкспоненциальный множитель. Энергия активации в интервале температур от 298 – 338 К составила 1,9 эВ.

Т=8,15±0,25102exp(-1,930±0,05)Ом-1см-1К

а б
Рис. 4. Вольтамперная характеристика: а – объект №1– макропористый Ni; б – объект №2 – микропористый Ni

По результатам гальваностатических и потенциостатических исследований были построены стационарные вольтамперные характеристики (рис. 4). Методом Хебба-Вагнера в постоянном токе оценена электронная составляющая проводимости. По углу наклона кривых была рассчитана электронная составляющая проводимости «H+-ТЭЛ», которая находится в пределах 1,11- 1,33 10-6 Смсм-1.

Для определения потенциалов разложения «H+-ТЭЛ» в потенциодинамическом режиме с минимальной скоростью развёртки 3 мВ/с

Рис. 5. Вольтамперная характеристика

(рис. 5) в интервале потенциалов [-3,0; 3,0 В]. Перегиб кривой в области потенциала 1,2 В соответствует разложению сульфосалициловой кислоты.

Термолиз образца протекает следующим образом. Как видно из хода кривой ДТА (рис.6), наблюдаются три эндотермических эффекта при следующих температурах: 403, 553 и 643 К. Первый пик, который лимитирует диапазон функционирования устройств, можно отнести к разложению кристаллизационной воды, входящей в кристаллическую решётку ССК.

Рис. 6. Термограмма «H+-ТЭЛ»

Согласно данным РФА, у ССК имеется ряд рефлексов с максимальной интенсивностью при 0 =7,35; 15,3;18,55; 19,40; 24,15; 27,10; 29,10; 27,90; 31,35; 31,75; 34,90; 35,40; 13,6. Однако при введении ССК в полимерную матрицу на дифрактограмме не наблюдается заметных рефлексов. На рис. 7 представлена дифрактограмма исследованного образца.

Рис. 7. Дифрактограмма «H+-ТЭЛ»

На основании анализа дифрактограммы можно сделать вывод, что электролит на основе ССК в матрице ПАН является рентгеноаморфным.

В оптических спектрах (рис.8) кислоты и пленок полосы с частотами 717, 796, 840 см-1, отвечают неплоскостным деформационным колебаниям группы СН ароматического кольца. Полоса поглощения 597 см-1 отнесена к колебаниям группы ОН. Поглощение в области 667 см-1 соответствует колебаниям связи S-О в группе SO3H.

Рис. 8. ИК-спектры пропускания ПАН и «H+-ТЭЛ»(ПАН+ССК)


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:









 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.