1.1.2. Метанол та його використання в паливних елементах.

Метанол (метиловий спирт, деревний спирт, карбінол, метілгідрат, гідроксид метилу) - CH₃OH, найпростіший одноатомний спирт, безбарвна отруйна рідина, перший представник гомологічного ряду одноатомних спиртів (рис. 1.1).

Рисунок 1.1. Структурна формула метанолу.

Отримання. До 1960-х років метанол синтезували тільки на цинкхромовому каталізаторі при температурі 300-400C і тиску 25-40 МПа. Згодом поширення отримав синтез метанолу на мідьвмісних каталізаторах (мідьцинкалюмохромовому, мідьцинкалюмінієвому та ін.) при 200-300C і тиску 4-15 МПа.

Сучасний промисловий метод отримання - каталітичний синтез з оксиду вуглецю (II) (CO) і водню (2H₂) при наступних умовах:

• температура - 250C,

• тиск - 7МПа,

• каталізатор - суміш ZnO і CuO.

Сировиною для синтезу метанолу служить синтез-газ (CO + H₂), збагачений воднем:: CO + 2H₂ → CH₃OH 

CO₂ + 3H₂ <-> CH₃OH + H₂O + 49.53 кДж / моль

До промислового освоєння каталітичного способу метанол отримували при сухій перегонці дерева (звідси його назва "деревний спирт"). В даний час цей спосіб має другорядне значення.

Застосування. В органічної хімії метанол насамперед використовується як розчинник.

Метанол використовується в газовій промисловості для боротьби з утворенням гідратів (через низьку температуру замерзання і добру розчинність). В органічному синтезі метанол застосовують для синтезу формальдегіду, формаліну, оцтової кислоти і ряду ефірів (наприклад, МТБЕ і ДМЕ), ізопрену та ін. Найбільша його кількість іде на виробництво формальдегіду, який використовується для виробництва фенолформальдегідних смол. Значні кількості CH₃OH використовують у лакофарбовій промисловості для виготовлення розчинників при виробництві лаків. Крім того, його застосовують (обмежено через гігроскопічність і відшаровування) як добавку до рідкого палива для двигунів внутрішнього згоряння.

Одним з найбільш перспективних напрямків є використання метанолу в паливних елементах (ПЕ) — електрохімічних генераторах, які забезпечують пряме перетворення хімічної енергії на електричну. Відзначимо, що такі перетворення відбуваються і в звичних нам електричних акумуляторах. Однак паливні елементи мають дві важливі відмінності: поперше, вони функціонують доти, доки паливо (відновник) та окиснювач надходять із зовнішнього джерела; по-друге, хімічний склад електроліту в процесі роботи не змінюється, тобто паливний елемент не треба перезаряджати.

Бум навколо водневої енергетики виник за часів активного освоєння космічного простору. У 60-ті роки минулого століття були створені паливні елементи потужністю до 1 кВт для американських програм «Джеміні» та «Аполлон», у 80-ті — 10-кіловатні для «Шаттла» та радянського «Бурану». У ті самі роки побудовано електростанції потужністю 100 кВт на фосфорно-кислотних ПЕ. В Японії та США є дослідні 10-мегаватні електростанції. Від 90-х років і донині триває розробка паливних елементів потужністю від 1 кВт до 10 МВт для стаціонарної автономної енергетики. Крім того, тепер розробляються портативні джерела електроенергії (потужність менше 100 Вт) для комп’ютерів, стільникових телефонів, фотоапаратів тощо.

Як паливо у них використовується спирт — метанол, з якого одержують водень.

Паливний елемент складається з двох електродів, розділених електролітом, і систем підведення палива на один електрод та окиснювача — на інший, а також системи для видалення продуктів реакції. У переважній більшості випадків з метою її прискорення використовують каталізатори. Зовнішнім електричним колом паливний елемент з’єднаний із навантаженням, що й споживає електроенергію. У паливному елементі з кислим електролітом водень подається високопористим анодом і надходить в електроліт через мікропори у матеріалі електрода. При цьому відбувається розкладання молекул водню на атоми, які в результаті хемосорбції, віддаючи кожен по одному електрону, перетворюються на позитивно заряджені іони.

Робота метанольного ПЕ полягає в реакції окислення метанолу на каталізаторі в діоксид вуглецю. Вода виділяється на катоді. Протони (H⁺) проходять через протонообмінні мембрану до катода де вони реагують з киснем і утворюють воду. Електрони проходять через зовнішній ланцюг від анода до катода забезпечуючи енергією зовнішнє навантаження.

Реакції:

На аноді: CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H ⁺ + 6E ^-

На катоді: 1.5O₂ + 6H ⁺ + 6E ^- → 3H₂O

Загальна для паливного елемента: CH₃OH + 1,5 O₂ → CO₂ + 2H₂O

Метанол і вода адсорбуються на каталізаторах зазвичай з частинками платини та рутенію, втрачають і протони з утворенням вуглекислого газу. Оскільки вода споживається на аноді в реакції, чистий метанол не може бути використаний без водопостачання або через пасивний транспорт, такий як зворотня дифузія (осмос), або активний транспорт, такий як насосні. Потреба у воді обмежує густину енергії палива. В даний час платина використовується як каталізатор для половинної реакції. Це призводить до втрати напруги комірки, бо будь-який метанол, який присутній в катодній камері, буде окислюватися. Якщо інший каталізатор може бути знайдений для відновлення кисню, проблема метанолу, ймовірно, буде значно зменшена. Крім того, платина коштує дуже дорого і вносить свій вклад у високу вартість за кіловат цих комірок. В ході реакції окислення метанолу утворюється монооксиду вуглецю (CO), який сильно поглинає платиновий каталізатор, зменшуючи площу поверхні і, отже, продуктивність комірки.