лекция 12. высокотемпературные топливные элементы

1. Химические источники энергии
Лекция 12. Высокотемпературные топливные элементы

2. План лекции
 твердооксидные ТЭ
 расплавные ТЭ
Козадеров О.А. 20152

3. 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
Козадеров О.А. 20153

4. Способы повышения скорости реакции
 дорогой катализатор  высокая температура!
Козадеров О.А. 20154

5. Твердооксидные
топливные элементы (ТОТЭ)
Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
Козадеров О.А. 20155

6. Особенность ТОТЭ
керамический электролит
проводимость обеспечивают ионы кислорода О2-
Козадеров О.А. 20156

7. 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
Козадеров О.А. 20157

8. Схема твердооксидного ТЭ
(водородное топливо)
Козадеров О.А. 20158

9. Схема твердооксидного ТЭ
(неводородное топливо)
Козадеров О.А. 20159

10. Твердый электролит YSZ
оксид циркония (IV),
стабилизированный оксидом иттрия (III)
ZrO2 + Y2O3 (8%)
Козадеров О.А. 201510

11. Формирование анионных вакансий
Козадеров О.А. 201511
чистый ZrO2 YSZ-электролит

12. Удельная электропроводность YSZ-электролита
роль концентрации допанта
Козадеров О.А. 201512

13. Удельная электропроводность YSZ-электролита
температурная зависимость
Козадеров О.А. 201513

14. 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

15. Анод
 пористая
металлокерамика из
никеля и YSZ
 электроны
транспортируются через
металл (никель)
 ионы кислорода – через
легированный оксид
циркония
Козадеров О.А. 201515
Image courtesy of Risø National Laboratory

16. 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
Козадеров О.А. 201516
Image courtesy of Risø National Laboratory

17. СЭМ-микрофотография твердооксидного
электрохимического элемента
Козадеров О.А. 201517
http://electronicstructure.wikidot.com/predicting-the-ionic-conductivity-of-ysz-from-ab-initio-calc

18. Типичная поляризационная кривая ТОТЭ
Козадеров О.А. 201518

19. Применение
 автономные стационарные установки для генерации
электроэнергии
 вспомогательные силовые установки на транспорте
Козадеров О.А. 201519

20. Расплавкарбонатные
топливные элементы (РКТЭ)
Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
Козадеров О.А. 201520

21. Электролит
расплав карбонатов
лития и калия (Li/K)
или
лития и натрия (Li/Na)
Козадеров О.А. 201521

22. Температуры плавления карбонатов
Li2CO3 – 732 °C
K2CO3 – 891 °C
Na2CO3 – 852 °C
Козадеров О.А. 201522

23. Карбонатные эвтектики
Козадеров О.А. 201523

24. 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. 201524

25. Схема топливного элемента
Козадеров О.А. 201525

26. 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
Козадеров О.А. 201526

27. Применение
 стационарные энергоустановки (электрохимические
электростанции), работающие непрерывно
Козадеров О.А. 201527
San Diego, California

28. 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 ТОТЭ
Козадеров О.А. 201528

29. 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 метанола
b. прямого окисления метанола с анионообменной
мембраной
Задания
Козадеров О.А. 201529