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)

Козадеров О.А. 20153

Особенность ТОТЭ

керамический электролит

проводимость обеспечивают ионы кислорода О2-

Козадеров О.А. 20154

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)

Козадеров О.А. 20156

Схема твердооксидного ТЭ(неводородное топливо)

Козадеров О.А. 20157

Твердый электролит YSZ

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

ZrO2 + Y2O3 (8%)

Козадеров О.А. 20158

Формирование анионных вакансий

Козадеров О.А. 20159

чистый ZrO2 YSZ-электролит

Удельная электропроводность YSZ-электролитароль концентрации допанта

Козадеров О.А. 201510

Удельная электропроводность YSZ-электролитатемпературная зависимость

Козадеров О.А. 201511

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

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. 201514

Image courtesy of Risø National Laboratory

СЭМ-микрофотография твердооксидного электрохимического элемента

Козадеров О.А. 201515

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

Типичная поляризационная кривая ТОТЭ

Козадеров О.А. 201516

Применение автономные стационарные установки для

генерации электроэнергии вспомогательные силовые установки на

транспорте

Козадеров О.А. 201517

Расплавкарбонатныетопливные элементы (РКТЭ)

Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)

Козадеров О.А. 201518

Электролит

расплав карбонатов

лития и калия (Li/K)

или

лития и натрия (Li/Na)

Козадеров О.А. 201519

Температуры плавления карбонатов

Li2CO3 – 732 °C

K2CO3 – 891 °C

Na2CO3 – 852 °C

Козадеров О.А. 201520

Карбонатные эвтектики

Козадеров О.А. 201521

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

Козадеров О.А. 201523

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. 201524

Применение стационарные энергоустановки

(электрохимические электростанции), работающие непрерывно

Козадеров О.А. 201525

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

Козадеров О.А. 201527

Однокамерный твердооксидный ТЭ

Козадеров О.А. 201528

Бескамерный твердооксидный ТЭ

Козадеров О.А. 201529

ТОТЭ с жидким оловянным анодом

Козадеров О.А. 201530

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