лекция 12. высокотемпературные топливные элементы

Химические источники энергии

Лекция 12. Высокотемпературные топливные элементы

План лекции

твердооксидные ТЭ

расплавные ТЭ

Козадеров О.А. 20152

Классификация топливных элементов Твердополимерные топливные

элементы электролит – ионообменная мембрана

Твердооксидные топливные элементы электролит – твердотельный оксид

Расплавные карбонатные топливные элементы электролит – расплав карбонатов щелочных

металлов Фосфорнокислотные топливные

элементы электролит – водный раствор фосфорной

кислоты Щелочные топливные элементы

электролит – водный раствор щелочей


Способы повышения скорости реакции

дорогой катализатор

высокая температура!


Твердооксидныетопливные элементы (ТОТЭ)

Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)


Особенность ТОТЭ

керамический электролит

проводимость обеспечивают ионы кислорода О2-


Электрохимические реакции

Твердополимерный ТЭ Твердооксидный ТЭ

Анод:H2 → 2H+ + 2e–

Катод:½O2 + 2H+ + 2e– → H2O

Токообразующая реакция:

H2 + ½ O2 → H2O

Анод:H2 + O2– → H2O + 2e–

Катод:½O2 + 2e– → O2–

Токообразующая реакция:

H2 + ½ O2 → H2O


Схема твердооксидного ТЭ(водородное топливо)


Схема твердооксидного ТЭ(неводородное топливо)


Твердый электролит YSZ

оксид циркония (IV),стабилизированный оксидом иттрия (III)

ZrO2 + Y2O3 (8%)


Формирование анионных вакансий


чистый ZrO2 YSZ-электролит

Удельная электропроводность YSZ-электролитароль концентрации допанта


Удельная электропроводность YSZ-электролитатемпературная зависимость


Электроды функция электрода в ТОТЭ – обеспечивать

перенос электронов и ионов кислорода между реакционной границей и электролитом для осуществления электрохимической реакции с газовым топливом

электроды должны быть смешанными ион-электронными проводниками

для эффективного контакта с газовой фазой они должны быть пористыми с большой площадью поверхности.Козадеров О.А. 201514

Анод

пористая металлокерамика из никеля и YSZ

электроны транспортируются через металл (никель)

ионы кислорода – через легированный оксид циркония


Image courtesy of Risø National Laboratory

http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/fuel-cells/www.sofc.dk


Катод пористая

металлокерамика из никеля электронпроводящего оксида и YSZ электроны

транспортируются через манганат лантана-стронция (LSM) La0.8Sr0.2MnO3

ионы кислорода – через легированный оксид циркония


Image courtesy of Risø National Laboratory



СЭМ-микрофотография твердооксидного электрохимического элемента


http://electronicstructure.wikidot.com/predicting-the-ionic-conductivity-of-ysz-from-ab-initio-calc



Типичная поляризационная кривая ТОТЭ


Применение автономные стационарные установки для

генерации электроэнергии вспомогательные силовые установки на

транспорте


Расплавкарбонатныетопливные элементы (РКТЭ)

Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)


Электролит

расплав карбонатов

лития и калия (Li/K)

или

лития и натрия (Li/Na)


Температуры плавления карбонатов

Li2CO3 – 732 °C

K2CO3 – 891 °C

Na2CO3 – 852 °C


Карбонатные эвтектики


Электрохимические процессы

Анод:H2 + CO3

2– → H2O + CO2 + 2e–

Катод:CO2 + ½O2 + 2e– → CO3

2–

Токообразующая реакция:H2 + ½O2 + CO2 (на катоде) → H2O + CO2 (на

аноде)


Схема топливного элемента


Материалы компонентов Анод

пористый никелевый сплав

Катод пористая пластина из оксидов металлов

наиболее распространенным материалом является высокопористый литированный оксид никеля LixNi1-

xO

Электролит металлокерамическая пористая матрица,

заполненная расплавленными карбонатами щелочных металлов наиболее распространенный материал - алюминат

лития LiAlO2


Применение стационарные энергоустановки

(электрохимические электростанции), работающие непрерывно


San Diego, California

Преимущества и недостатки РКТЭ Преимущества

гибкость к видам топлива неблагородные металлы-катализаторы когенерация тепла

Недостатки коррозионно-активный расплавленный

электролит нестабильность материалов при высокой

рабочей температуре относительно дорогие материалы невозможность работы в периодическом

режиме (вкл/выкл)

выделенное красным относится и к ТОТЭКозадеров О.А. 201528

1. В каких еще ХИТ (кроме твердооксидных ТЭ) используется твердый керамический электролит? Напишите уравнения токообразующих реакций, протекающих в этих устройствах.

2. Пользуясь материалами лекции, оцените рабочие температуры (а) твердооксидного и (б) расплавного топливных элементов

3. Запишите уравнение токообразующей реакции и уравнение Нернста для топливного элемента:

a. непрямого окисления метанолаb. прямого окисления метанола с анионообменной

мембраной

Задания


Education

лекция 12. высокотемпературные топливные элементы