лекция 9. высокотемпературные топливные элементы

Современные химические источники тока

Лекция 9. Высокотемпературные топливные элементы

Способы повышения скорости реакции

дорогой катализатор

высокая температура!

Козадеров О.А. 20152

Твердооксидныетопливные элементы (ТОТЭ)

Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)


Особенность ТОТЭ

керамический электролит

проводимость обеспечивают ионы кислорода О2-


Электрохимические реакцииТвердополимерный 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 → H2OКозадеров О.А. 20155

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. 201512

Анод

пористая металлокерамика из никеля и YSZ

электроны транспортируются через металл (никель)

ионы кислорода – через легированный оксид циркония Козадеров О.А. 201513

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

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)Козадеров О.А. 201522

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. 201526

Безмембранный топливный элемент

Устройство Схема используется Y-

образный микроструйный канал, в котором две струи, содержащие топливо и окислитель, сливаются и текут между покрытыми катализатором электродами, не смешиваясь возникает

ламинарный поток


Однокамерный твердооксидный ТЭ


Бескамерный твердооксидный ТЭ


ТОТЭ с жидким оловянным анодом


t > 900 °C

ТОТЭ с жидким оловянным анодом

Козадеров О.А. 201531http://www.netl.doe.gov/file%20library/events/2009/seca/presentations/Bentley_Presentation.pdf

http://www.netl.doe.gov/file%20library/events/2009/seca/presentations/Bentley_Presentation.pdf

Education

лекция 9. высокотемпературные топливные элементы