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:

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:

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:   |
1
| 2 |
 
Авторефераты диссертаций  >>  Авторефераты по Химии

Похожие работы:








наверх


 
<<  ГЛАВНАЯ   |   КОНТАКТЫ
© 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.