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

Твердооксидные
топливные 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–
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-электролита
роль концентрации допанта

Удельная электропроводность YSZ-электролита
температурная 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.

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

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

Расплавкарбонатные
топливные 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–
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 ТОТЭ

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

лекция 9. высокотемпературные топливные элементы

More Related Content

What's hot

Similar to лекция 9. высокотемпературные топливные элементы

лекция 9. высокотемпературные топливные элементы