Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы накопления и стационарного хранения энергии 18
1.1 Проблема накопления и стационарного хранения энергии 18
1.2 Системы накопления и стационарного хранения энергии 19
1.3 Электрические системы накопления энергии 22
1.3.1 Электростатические системы накопления энергии 22
1.3.2 Сверхпроводящие магнитные системы накопления энергии 23
1.4 Механические системы накопления энергии 24
1.4.1 Гравитационный энергонакопитель 24
1.4.2 Гидроэлектроаккумуляторы 24
1.4.3 Пневмонакопители 25
1.4.4 Маховики и гироскопы 26
1.5 Источники тока на основе гальванического элемента 27
1.5.1 Свинцово-кислотные аккумуляторы 27
1.5.2 Никель-кадмиевые батареи 28
1.5.3 Никель-металлогидридные аккумуляторы 29
1.5.4 Серно-натриевые аккумуляторы 30
1.5.5 Никель-солевые аккумуляторы 31
1.5.6 Литий-ионные батареи 32
1.6 Топливные элементы 38
1.6.1 Водородные топливные элементы 40
1.6.2 Метанольные топливные элементы 42
1.6.3 Топливные элементы на расплаве карбоната 43
1.6.4 Твердооксидные топливные элементы 45
1.7 Проточные батареи 47
1.7.1 Ванадиевые редокс-батареи 49
1.7.2 Железо-хромовые редокс-батареи 53
1.7.3 Полисульфид-бромидные редокс-батареи 54
1.7.4 Другие проточные редокс-батареи 56
1.8 Сравнительный анализ источников тока для накопления и стационарного хранения энергии 57
Глава 2. Постановка задачи. Предварительные результаты 72
2.1 Гибридный принцип конструирования источников тока 72
2.2 Гибридные проточные батареи 74
2.3 Водородно-броматная проточная батарея 78
2.4 Постановка задачи 80
2.5 Предварительные результаты 83
Выводы 92
Глава 3. Электровосстановление бромат-аниона на вращающемся дисковом электроде в стационарных условиях 93
3.1 Электровосстановление бромат-аниона через медиаторный каталитический механизм (EC ) 93
3.1.1 Описание системы 93
3.1.2 Режим «слабых токов» 98
3.1.3 Режим «тонкого кинетического слоя» 102
3.2 Броматная система без добавления редокс-катализаторов. Медиаторный автокаталитический механизм (EC ) 109
3.2.1 Описание системы 109
3.2.2 Режим «слабых токов» 113
3.2.3 Режим «тонкого кинетического слоя» 117
3.2.4 Сравнение аналитических предсказаний и результатов численного моделирования при избытке протонов 124
3.3 Процесс электровосстановления бромат-аниона в условиях его избытка. Влияние pH 132
3.3.1 Описание системы 133
3.3.2 Процедура обезразмеривания 136
3.3.3 Постановка задачи в безразмерном виде 138
3.3.4 Аналитическое решение в рамках приближения «слабых токов». Вывод основных соотношений 140
3.3.5 Аналитическое решение в рамках приближения «тонкого кинетического слоя». Вывод основных соотношений 148
3.3.6 Аналитическое решение в рамках приближения «слабых токов». Основные результаты 153
3.3.7 Общие соотношения между диффузионными потоками основных реагентов для случая тонкого кинетического слоя 159
3.3.8 Аналитическое решение в рамках приближения «тонкого кинетического слоя». Основные результаты 162
3.3.9 Универсальные аналитические процедуры расчета 166
3.3.10 Сравнение аналитических предсказаний и результатов численного моделирования процесса электровосстановления бромат-аниона по EC механизму. Избыток бромат-анионов 174
3.4 Экспериментальное исследование электровосстановления бромат-аниона в кислых средах на вращающемся дисковом электроде 179
3.4.1 Методика эксперимента 180
3.4.2 Качественный анализ 182
3.4.3 Вольтамперограммы и максимальная плотность тока 184
3.4.4 Количественный анализ: модифицированная аналитическая теория 189
3.4.5 Количественный анализ экспериментальных результатов в растворах фосфорной кислоты 196
Выводы 203
Глава 4. Конвективно-диффузионный транспорт для процесса электровосстановления бромат-аниона на вращающемся дисковом электроде 206
4.1 Обобщенная модель Нернста. Избыток кислоты 206
4.1.1 Описание системы 206
4.1.2 Постановка задачи для случая избытка кислоты 210
4.1.3 Процедура обезразмеривания и постановка задачи в безразмерном виде 212
4.1.4 Аналитическое решение в рамках приближения «слабых токов» 215
4.1.5 Аналитическое решение в рамках приближения «тонкого кинетического слоя» 217
4.1.6 Универсальные аналитические процедуры расчета 221
4.1.7 Основные результаты 222
4.1.8 Сравнение аналитических предсказаний и результатов численного моделирования для обобщенной модели Нернста 229
4.2 Обобщенная модель Нернста. Избыток бромат-анионов. 234
4.2.1 Описание системы 234
4.2.2 Постановка задачи для случая избытка кислоты 235
4.2.3 Процедура обезразмеривания 237
4.2.4 Аналитическое решение в рамках приближения «слабых токов» 240
4.2.5 Аналитическое решение в рамках приближения «тонкого кинетического слоя». 242
4.2.6 Универсальные аналитические процедуры расчета 244
4.2.7 Основные результаты 245
4.2.8 Сравнение аналитических предсказаний и результатов численного моделирования для обобщенной модели Нернста 252
4.3 Конвективно-диффузионный транспорт при электровосстановлении бромат аниона в стационарных условиях на вращающемся дисковом электроде. EC механизм при избытке кислоты 256
4.3.1 Описание системы 256
4.3.2 Процедура обезразмеривания и постановка задачи в безразмерном виде 258
4.3.3 Аналитическое решение в рамках приближения «слабых токов» 261
4.3.4 Аналитическое решение в рамках приближения «тонкого кинетического слоя» 272
4.3.5 Основные результаты 282
4.4 Конвективно-диффузионный транспорт при электровосстановлении бромат аниона в стационарных условиях на вращающемся дисковом электроде. EC механизм при избытке бромат-анионов 284
4.4.1 Описание системы 284
4.4.2 Процедура обезразмеривания и постановка задачи в безразмерном виде 285
4.4.3 Аналитическое решение в рамках приближения «слабых токов» 286
4.4.4 Аналитическое решение в рамках приближения «тонкого кинетического слоя» 294
Выводы 301
Глава 5. Электровосстановление бромат-аниона на микроэлектродах в стационарных условиях 304
5.1 Аналитическое исследование электровосстановления бромат-аниона по EC механизму на микроэлектроде 304
5.1.1 Описание системы 304
5.1.2 Постановка задачи 307
5.1.3 Процедура обезразмеривания и постановка задачи в безразмерном виде 309
5.1.4 Соотношения между безразмерными профилями концентрации. Обсуждение способа получения приближенных аналитических решений 311
5.1.5 Аналитическое решение в рамках приближения «слабых токов» 312
5.1.6 Аналитическое решение в рамках приближения «тонкого кинетического слоя» 314
5.1.7 Основные результаты 322
5.2 Экспериментальное исследование электровосстановления бромат-аниона по EC механизму на микроэлектроде: решение обратной кинетической задачи 329
Глава 6. Создание лабораторного образца испытательной ячейки, демонстрирующего реализацию процесса электровосстановления бромат-аниона 338
6.1 Постановка задачи и суть используемого подхода 338
6.2 Роль проведенных аналитических исследований в выработке функциональной концепции для проточной испытательной ячейки 340
6.2.1 Учет выводов для модифицированной модели неподвижного слоя Нернста 340
6.2.2 Оценка теоретической энергоемкости водородно-броматной проточной системы 343
6.2.3 Учет выводов для обобщенной модели слоя Нернста и конвективно-диффузионного транспорта 345
6.2.4 Прохождение сильного тока при сопоставимых концентрациях бромат-аниона и протонов в объеме раствора 348
6.2.5 Описание процесса восстановления бромат-аниона на пористом электроде, расположенном между протонно-проводящей мембраной и раствором 351
6.2.6 Описание процесса восстановления бромат-аниона на пористом электроде, расположенном между протонно-проводящей мембраной и раствором 358
6.3 Конструирование и испытание прототипа испытательной ячейки для процесса электровосстановления бромат-анионов 360
6.3.1 Испытания конструкции проточных ячеек с узким каналом, дно которого – рабочий электрод 361
6.3.2 Влияние скорости прокачки раствора на плотность протекающего тока 366
6.3.3 Влияние состава раствора на плотность протекающего тока 367
6.3.4 Модельная проточная ячейка с каналом, заполненным пористым углеродным электродом 369
6.3.5 Влияние температуры на плотность протекающего тока 376
6.3.6 Возможность достижения полной конверсии бромат-аниона в системе 380
6.4 Создание и испытание лабораторного образца испытательной ячейки с рабочей площадью 50 см2 для процесса электровосстановления бромат-аниона 380
6.5 Испытательная электрохимическая ячейка для тестирования МЭБ водородно-броматной батареи 384
Выводы 387
Общие выводы 390
Заключение 393
Список литературы 394
Благодарности 430
Приложения 431
