Твердооксидный топливный элемент

редактировать

Схема твердооксидного топливного элемента

A твердооксидный топливный элемент (или ТОТЭ ) представляет собой устройство электрохимического преобразования, которое вырабатывает электричество непосредственно из окисления топлива. Топливные элементы характеризуются высоким уровнем своего электролита; ТОТЭ имеет твердый оксидный или керамический электролит.

Преимущества этого класса топливных элементов, предусматривающие использование совместной тепло- и энергетической эффективности, долгосрочную стабильность, топливную гибкость, низкую выбросы и относительно низкую стоимость. Самым большим недостатком является высокая рабочая температура, которая приводит к увеличению запуска и проблем механической совместимости.

Содержание

  • 1 Введение
  • 2 Эксплуатация
    • 2.1 Баланс установки
    • 2.2 Анод
    • 2.3 Электролит
    • 2.4 Катод
    • 2.5 Межсоединение
  • 3 Поляризации
    • 3.1 Омическая поляризация
      • 3.1.1 Ионная проводимость
    • 3.2 Концентрационная поляризация
    • 3.3 Активация поляризация
  • 4 Цель
  • 5 Исследования
    • 5.1 SOEC
    • 5.2 ITSOFC
    • 5.3 LT-SOFC
    • 5.4 ТОТЭ-ГТ
    • 5.5 DCFC
  • 6 См. также
  • 7 Ссылки
  • 8 Внешние ссылки

Введение

Твердооксидные топливные элементы - это класс топливных элементов, в качестве которых в качестве электролита используется твердый оксидный материал.>. В SOFC используется твердый оксидный электролит для проведения отрицательных веществ кислорода от катода к аноду. Таким образом, электрохимическое окисление водорода, монооксида углерода или других промежуточных продуктов ионами кислорода происходит на стороне анода. В последнее время разрабатываются протонпроводящие ТОТЭ (ПК-ТОТЭ), которые переносят протоны вместо кислорода через электролит с тем преимуществом, что они могут работать при более низких температурах, чем традиционные ТОТЭ.

Они работают при очень высоких температурах, обычно от 500 до 1000 ° C. При этих температурах SOFC не требует дорогостоящего платинового катализатора, что в настоящее время необходимо для топливных элементов с более низкими температурами, таких как PEMFCs, и не уязвимы для углерода. отравление оксидным катализатором. Однако широко наблюдалась уязвимость к отравлению серой, и сера должна быть удалена перед попаданием в ячейку с использованием слоев адсорбента или других средств.

Твердооксидные топливные элементы находят широкое применение, от использования в качестве вспомогательных силовых установок в транспортных средствах до стационарной выработки электроэнергии с выходной мощностью от 100 Вт до 2 МВт. В 2009 году австралийская компания Ceramic Fuel Cells успешно достигла КПД устройства на ТОТЭ до ранее теоретической отметки 60%. Более высокая рабочая температура делает ТОТЭ подходящими кандидатами для применения с тепловым двигателем устройства рекуперации энергии или комбинированием тепла и энергии, что увеличивает общую топливную эффективность.

Из-за этих высоких температур легкие углеводородные топлива, такие как метан, пропан и бутан, могут подвергаться внутреннему риформингу внутри анода. ТОТЭ можно также использовать за счет внешнего риформинга более тяжелых углеводородов, таких как бензин, дизельное топливо, реактивное топливо (JP-8) или биотопливо. Такие риформинга представляют собой продукты водорода, монооксида углерода, диоксида углерода, пара и метана, образующиеся в результате реакции углеводородного с воздухом или паром в устройстве перед анодом ТОТЭ. Энергетические системы на ТОТЭ могут повысить эффективность за счет использования тепла, выделяемого экзотермическим электрохимическим окислением в топливном элементе, для процесса эндотермического парового риформинга. Кроме того, твердые виды топлива, такие как уголь и биомасса, могут быть газифицированы с образованием синтез-газа, который подходит для топлива. ТОТЭ в интегрированной Энергетические циклы топливных элементов с газификацией.

Тепловое расширение требует равномерного и хорошо регулируемого процесса при запуске. Пакеты ТОТЭ с плоской геометрией требуют порядка часа для работы до рабочей температуры. геометрия обещает гораздо более быстрое время запуска, обычно порядка минут.

В отличие от других типов топливных элементов, ТОТЭ могут иметь несколько геометрических форм. Геометрия является типичной геометрией типа «сэндвич», используемой в большинстве типов топливных элементов, где электролит зажат между электродами. ТОТЭ также могут быть выполнены в форме трубы, в которой воздух или топливо проходят через внутреннюю часть трубы. Трубчатая конструкция выгодна тем, что легче легче изолировать воздух от топлива. Плоская конструкция конструкции сравнительно меньшее сопротивление. Другие геометрические формы ТОТЭ включают (MPC или MPSOFC), где волнообразная структура заменяет традиционную плоскую конфигурацию плоской ячейки. Такие конструкции очень многообещающие, поскольку они разделяют преимущества как плоских ячеек (низкое сопротивление), так и трубчатых ячеек.

Операция

Поперечное сечение трех керамических слоев трубчатого ТОТЭ. От внутреннего к внешнему: пористый катод, плотный электролит, пористый анод

Твердооксидный топливный элемент из четырех слоев, три из которых выполнены из керамики (отсюда и название). Одна ячейка, состоящая из этих слоев, уложенных вместе, обычно имеет толщину всего несколько миллиметров. Сотни этих ячеек соединяются, образуя то, что большинством людей называют «стеком ТОТЭ». Керамика, используемая в ТОТЭ, не становится электрически и ионно активными до тех пор, пока не достигнет очень высокой температуры, и, как следствие, батареи должны работать при температурах в диапазоне от 500 до 1000 ° C. происходит восстановление кислорода до кислород. Затем эти ионы могут диффундировать через твердый оксидный электролит к аноду, где они могут электрохимически окислять топливо. В этой реакции выделяется побочный продукт - вода, а также два электрона. Эти электроны затем проходят через внешнюю цепь, где они могут работать. Затем цикл повторяется, поскольку эти электроны снова входят в материал катода.

Остаток установки

Большая часть простоев ТОТЭ происходит из-за: подогревателя воздуха, камеры дожигания и мощности электроника, датчик сероводорода и вентиляторы. Внутренний риформинг приводит к значительному снижению баланс затрат завода при проектировании полной системы.

Анод

Керамический анодный слой должен быть очень пористый, чтобы топливо могло течь по направлению к электролиту. Следовательно, для изготовления анодов часто выбирают гранулированный материал. Как и катод, он должен проводить электроны, а ионная проводимость - это определенное преимущество. Чаще всего используется кермет, состоящий из никеля, смешанного с керамическим материалом, который используется для электролита в этой конкретной ячейке, обычно YSZ (оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия) катализаторы на На основе наноматериалов, эта деталь из YSZ помогает рост зерен никеля. Более крупные зерна никеля уменьшат площадь контакта, что снизит эффективность ячеек. Анод обычно является самым толстым и прочным слоем в каждой отдельной ячейке, поскольку он имеет наименьшие поляризационные потери, обеспечивающие механическую опору. С точки зрения электрохимии работа анода заключается в использовании кислорода, который диффундирует через электролит, окисления водорода топлива. В реакции окисления между ионами кислорода и водородом выделяется тепло, а также вода и электричество. Если топливо представляет собой легкий углеводород, например метан, другая функция анода - действовать как катализатор парового реформинга топлива в водород. Это обеспечивает еще одно эксплуатационное преимущество батареи топливных элементов, поскольку реакция риформинга является эндотермической, что приводит к внутреннему охлаждению батареи. Перовскитные материалы (керамика со смешанной ионной / электронной проводимости) показали, что они увеличивают плотность мощности 0,6 Вт / см2 при 0,7 В при 800 ° C, что возможно, поскольку они обладают способностью преодолевать большую энергию активации..

Химическая реакция:

H2+O2——>H 2 O + 2e

Электролит

Электролит представляет собой плотный керамический слой, который проводит ионы кислорода. Его электронная проводимость должна быть как более низкой, чтобы предотвратить потери от токов утечки. Высокие рабочие температуры ТОТЭ позволяют кинетике переноса кислорода быть достаточной для хорошей работы. Когда рабочая температура приближается к нижнему пределу для ТОТЭ, составляющему около 600 ° C, электролит начинает иметь большое сопротивление ионному переносу и влиять на характеристики. Популярные электролиты включают оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (YSZ) (часто 8% 8YSZ), диоксид циркония, стабилизированный скандием () (обычно 9 мол.% Sc 2O3- 9ScSZ) и оксид церия, легированный гадолинием (GDC). Материал электролита имеет решающее влияние на характеристики элемента. Были обнаружены вредные реакции между электролитами YSZ и современными катодами, такими как феррит лантана-стронция-кобальта (LSCF), и их можно предотвратить с помощью тонких диффузионных барьеров (<100 nm) оксид церия.

Если проводимость для использования кислорода в ТОТЭ может достигать высокой даже при более низких температурах (текущая цель исследований ~ 500 ° C), выбор материалов для ТОТЭ, и многие первые проблемы могут быть решены. осаждение тонких пленок, может помочь решить эту проблему с использованием материалов за счет:

  • уменьшения сопротивления существующему кислороду и сопротивлению электролита, сопротивление пропорционально длине проводника;
  • создание зернистых структур с меньшим сопротивлением. структура;
  • контроль микроструктурных нанокристаллических мелких зерен для достижения "точной настройки" электрических свойств;
  • строите льный композит, обладающий большими межфазными площадями, поскольку интерфейсы, как было показано, имеют необычайные Основные электрические свойства.

Катод

Катод, или воздушный электрод, представляет собой тонкий пористый слой на электролите, в котором происходит восстановление кислорода. Общая реакция записывается в нотации Крегера-Винка следующим образом:

1 2 O 2 (g) + 2 e ′ + V o ∙ ∙ ⟶ O o × {\ displaystyle {\ frac {1} { 2}} \ mathrm {O_ {2} (g)} +2 \ mathrm {e '} + {V} _ {o} ^ {\ bullet \ bullet} \ longrightarrow {O} _ {o} ^ {\ times }} \frac{1}{2}\mathrm{O_2(g)} + 2\mathrm{e'} + {V}^{\bullet\bullet}_o \longrightarrow {O}^{\times}_o

Материалы катода должны быть как минимум электропроводными. В настоящее время манганит лантана-стронция (LSM) является предпочтительным катодным инструментом для коммерческого использования из-за его совместимости с электролитами из легированного диоксида циркония. Механически он коэффициент теплового расширения, аналогичный YSZ, таким образом, ограничивает накопление напряжений из-за несоответствия КТР. Кроме того, LSM имеет низкие уровни активности с YSZ, что продлевает срок службы материалов. К сожалению, LSM является плохим ионным проводником, поэтому электрохимически активная реакция ограничивает границ трех фаз (TPB), где встречаются электролит, воздух и электрод. LSM хорошо работает в катода при высоких температурах, но его характеристики быстро падают при понижении рабочей температуры ниже 800 ° C. Чтобы увеличить давление за пределы TPB, потенциальный катодный материал должен иметь возможность использовать как электроны, так ионы кислорода. Композитные катоды, состоящие из LSM YSZ, были использованы для увеличения длины этой тройной межфазной границы. Керамика со смешанной ионной / электронной проводимостью (MIEC), такая как перовскит LSCF, также исследуется для использования в SOFC с промежуточной температурой, поскольку они более активны и могут компенсировать увеличение энергии активации реакции..

Межсоединение

Межсоединение может быть металлическим или керамическим слоем, которое находится между каждой отдельной ячейкой. Его цель - соединить каждую ячейку, чтобы можно было былоинировать электричество, генерируемое каждой ячейкой. Оно должно быть стабильно стабильным. По этой причине в долгосрочной перспективе керамика пользуется большим успехом, чем металлы, как материалы для межсоединений. Однако эти керамические материалы для межсоединений очень дороги по с металлами. Сплавы на основе никеля и стали все более перспективными по мере разработки ТОТЭ при более низких температурах (600–800 ° C). Предпочтительным инструментом для межсоединения контактирующего с Y8SZ, является металлический сплав 95Cr-5Fe. Также рассматриваются металлокерамические композиты, называемые «кермет», как они используют термическую стабильность при высоких температурах и отличную электропроводность.

Поляризации

Поляризации или перенапряжения - это потери напряжения из-за качества материалов, микроструктуры и конструкции топливного элемента. Поляризации являются результатом омического сопротивления кислорода, проводящих через электролит (iRΩ), барьеров электрохимической активации, аноде и катоде и, наконец, концентрационной поляризации из-за неспособности газов диффировать с высокой скоростью через пористый анод и катод (показано как ηA для анод и ηC для катода). Напряжение элемента можно рассчитать с помощью следующих уравнений:

V = E 0 - i R ω - η катод - η анод {\ displaystyle {V} = {E} _ {0} - {iR} _ {\ omega} - {\ eta} _ {катод} - {\ eta} _ {анод}} {V} = {E}_0 - {iR}_\omega - {\eta}_{cathode} - {\eta}_{anode}

где:

  • E 0 {\ displaystyle {E} _ {0}}{E}_0= потенциал Нернста из реагенты
  • R {\ displaystyle R}R= эквивалент Тевенина значение сопротивления электропроводных частей ячейки
  • η катод {\ displaystyle {\ eta} _ {катод}}{\eta}_{cathode}= поляризационные потери в катоде
  • η анод {\ displaystyle {\ eta} _ {anode}}{\eta}_{anode}= поляризационные потери в аноде

В ТОТЭ часто важно сосредоточить внимание на омической и концентрационной поляризации, поскольку при высоких температурах рабочей температуры активационная поляризация малая. Однако по мере приближения к нижнему пределу рабочей температуры ТОТЭ (~ 600 ° C) эти поляризации становятся важными.

Вышеупомянутое уравнение используется для определения напряжения ТОТЭ (фактически для напряжения топливного элемента в целом).). Этот подход приводит к хорошему согласию с конкретными экспериментальными данными (для которых получены адекватные коэффициенты) и плохому согласию для него, чем исходные экспериментальные рабочие параметры. Различные виды болезней,определяющих различные виды факторов, которые трудно определить. Это очень затрудняет любой процесс оптимизации рабочих параметров ТОТЭ, а также выбор конфигурации проекта архитектуры. В связи с этими обстоятельствами было предложено несколько других уравнений:

ESOFC = E max - imax ⋅ η f ⋅ r 1 r 1 r 2 ⋅ (1 - η f) + 1 {\ displaystyle E_ {SOFC} = {\ frac {E_ {max} -i_ {max} \ cdot \ eta _ {f} \ cdot r_ {1}} {{\ frac {r_ {1}} {r_ {2}}} \ cdot \ left (1- \ eta _ {f} \ right) +1}}}E_{SOFC} = \frac{E_{max}-i_{max}\cdot\eta_f\cdot r_1}{\frac{r_1}{r_2}\cdot\left( 1-\eta_f \right) + 1}

где:

  • ESOFC {\ displaystyle E_ {SOFC}}E_{SOFC}= напряжение элемента
  • E max {\ displaystyle E_ {max }}E_{max}= максимальное напряжение, определяемое уравнением Нернста
  • imax {\ displaystyle i_ {max}}i_{max}= максимальная плотность тока (для данного расхода топлива)
  • η f {\ displaystyle \ eta _ {f}}\eta_f= коэффициент использования топлива
  • r 1 {\ displaystyle r_ {1}}r_{1}= ионное удельное сопротивление электролита
  • r 2 {\ displaystyle r_ {2}}r_{2}= удельное электрическое сопротивление электролита.

Этот метод был проверен и признан подходящим для исследований по оптимизации и чувствительности при моделировании различных систем с твердым оксидом на уровне предприятия. топливные элементы. С помощью этого математического описания можно учесть различные свойства ТОТЭ. Есть много параметров, которые влияют на условия работы ячеек, например: материал электролита, толщина электролита, твердые ячейки, состав газа на входе и выходе на аноде и катоде, пористость электрода, и это лишь из них. Поток в этих системах часто рассчитывается с использованием формулы Навье - Стокса.

Омическая поляризация

Омические потери в ТОТЭ вызывают ионной проводимости через электролит и электрическое сопротивление, оказываемое потоку электронов во внешнюю электрическую цепь. По сути, это свойство материала кристаллической структуры и задействованных атомов. Однако, чтобы максимизировать ионную проводимость, можно использовать несколько методов. Во-первых, работа при более высоких температурах может значительно снизить эти омические потери. Методы замещающего легирования для дальнейшего уточнения кристаллической структуры и контроля концентрации дефектов также могут играть значительную роль в увеличении проводимости. Другой способ уменьшить омическое сопротивление - уменьшить толщину слоя электролита.

Ионная проводимость

Удельное ионное сопротивление электролита как функция температуры можно описать следующим соотношением:

r 1 = δ σ {\ displaystyle r_ {1} = {\ frac {\ delta} {\ sigma}}}r_1 = \frac{\delta}{\sigma}

где: δ {\ displaystyle \ delta}\delta - толщина электролита, а σ {\ displaystyle \ sigma}\sigma - ионная проводимость.

Ионная проводимость твердого оксида определяется следующим образом:

σ = σ 0 ⋅ e - ER ⋅ T {\ displaystyle \ sigma = \ sigma _ {0} \ cdot e ^ {\ frac {-E} {R \ cdot T}}}\sigma = \sigma_0\cdot e^\frac{-E}{R\cdot T}

где: σ 0 {\ displaystyle \ sigma _ {0}}\sigma _{0}и E {\ displaystyle E}E- коэффициенты, зависящие от материалов электролита, T {\ displaystyle T}T- температура электролита и R {\ displaystyle R}R- идеальная газовая постоянная..

Концентрационная поляризация

Концентрационная поляризация является результатом практических ограничений массопереноса внутри ячейки и представляет собой потерю напряжения из-за пространственных изменений концентрации реагентов в химически активных центрах. Эта ситуация может быть вызвана тем, что реагенты расходуются в электрохимической реакции быстрее, чем они могут диффундировать в пористый электрод, а также может быть вызвано изменением состава объемного потока. Последнее происходит из-за того, что потребление реагирующих частиц в потоках реагентов вызывает падение концентрации реагентов при их перемещении по ячейке, что вызывает падение локального потенциала вблизи хвостовой части ячейки.

Концентрационная поляризация возникает как на аноде, так и на катоде. Анод может быть особенно проблематичным, поскольку при окислении водорода образуется пар, который дополнительно разбавляет поток топлива, когда он движется по длине элемента. Эту поляризацию можно уменьшить, уменьшив долю использования реагентов или увеличив пористость электрода, но каждый из этих подходов имеет значительные конструктивные компромиссы.

Активационная поляризация

Активационная поляризация является результатом кинетики, связанной с электрохимическими реакциями. Каждая реакция имеет определенный активационный барьер, который необходимо преодолеть для продолжения, и этот барьер приводит к поляризации. Активационный барьер является результатом многих сложных этапов электрохимической реакции, где обычно этап ограничения скорости отвечает за поляризацию. Уравнение поляризации, показанное ниже, находится путем решения уравнения Батлера – Фольмера в режиме высокой плотности тока (где обычно работает ячейка), и может использоваться для оценки активационной

Последняя правка сделана 2021-06-08 08:57:53
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте