Войти
Твердокислотные топливные элементы (SAFC) представляют собой класс топливных элементов, в которых в качестве электролита используется материал твердой кислоты. Подобно топливным элементам с протонообменной мембраной и твердооксидным топливным элементам, они извлекают электроэнергию из электрохимического преобразования водород- и кислородсодержащих газов, оставляя только воду в качестве побочного продукта. В современных системах SAFC используется газообразный водород, полученный из различных видов топлива, таких как промышленный пропан и дизельное топливо. Они работают при средних температурах от 200 до 300 ° C.
Твердые кислоты - это химические промежуточные соединения между солями и кислотами, такие как CsHSO 4. Твердые кислоты, представляющие интерес для применения в топливных элементах, - это кислоты, химический состав которых основан на оксианионных группах (SO 4, PO 4, SeO 4, AsO 4), связанные вместе водородными связями и сбалансированные по заряду крупными частицами катионов (Cs, Rb, NH, K).
При низких температурах твердые кислоты имеют упорядоченную молекулярную структуру, как и большинство солей. При более высоких температурах (от 140 до 150 градусов Цельсия для CsHSO 4) некоторые твердые кислоты претерпевают фазовый переход, превращаясь в сильно разупорядоченные «суперпротонные» структуры, что увеличивает проводимость на несколько порядков. При использовании в топливных элементах такая высокая проводимость обеспечивает КПД до 50% на различных видах топлива.
Первые проверенные концепции SAFC были разработаны в 2000 году с использованием гидросульфата цезия (CsHSO 4). Однако топливные элементы, в которых в качестве электролита используются кислые сульфаты, приводят к образованию побочных продуктов, которые серьезно портят анод топливного элемента, что приводит к снижению выходной мощности даже при небольшом использовании.
В современных системах SAFC используется дигидрофосфат цезия (CsH 2PO4) и продемонстрировали срок службы в тысячи часов. При суперпротонном фазовом переходе CsH 2PO4испытывает увеличение проводимости на четыре порядка. В 2005 году было показано, что CsH 2PO4может стабильно претерпевать суперпротонный фазовый переход во влажной атмосфере при «промежуточной» температуре 250 ° C, что делает его идеальным твердым кислотным электролитом для использования в топливном элементе. Влажная среда в топливном элементе необходима для предотвращения дегидратации и диссоциации определенных твердых кислот (таких как CsH 2PO4) на соль и водяной пар.
Водородный газ - это направляется на анод, где он расщепляется на протоны и электроны. Протоны проходят через твердый кислотный электролит, чтобы достичь катода, в то время как электроны перемещаются к катоду через внешнюю цепь, генерируя электричество. На катоде протоны и электроны рекомбинируют вместе с кислородом с образованием воды, которая затем удаляется из системы.
Анод : H 2 → 2H + 2e
Катод : ½O 2 + 2H + 2e → H 2O
Общий : H 2 + ½O 2 → H 2O
Работа SAFCs при средних температурах позволяет им использовать материалы, которые в противном случае были бы повреждены при высоких температурах, например стандартные металлические компоненты и гибкие полимеры. Эти температуры также делают SAFC устойчивыми к примесям в их источнике водорода в качестве топлива, таким как монооксид углерода или компоненты серы. Например, в SAFC можно использовать газообразный водород, извлеченный из пропана, природного газа, дизельного топлива и других углеводородов.
Соссина Хайле разработала первые твердые кислотные топливные элементы в 1990-х годах.
В 2005 году SAFC были изготовлены с тонкими электролитными мембранами толщиной 25 микрометров, что привело к восьмикратному увеличению пиковой плотности мощности по сравнению с более ранними моделями. Тонкие электролитные мембраны необходимы для минимизации потерь напряжения из-за внутреннего сопротивления внутри мембраны.
Согласно Suryaprakash et al. 2014 г., идеальный анод твердого кислотного топливного элемента - это «наноструктура пористого электролита, равномерно покрытая тонкой пленкой платины». Эта группа использовала метод, называемый распылительной сушкой, для изготовления SAFC, осаждения наночастиц твердого кислотного электролита CsH 2PO4и создания пористых трехмерных взаимосвязанных наноструктур материала твердого кислотного электролита топливного элемента CsH 2PO4.
Потому что из-за их умеренных температурных требований и совместимости с несколькими типами топлива SAFC могут использоваться в удаленных местах, где другие типы топливных элементов были бы непрактичными. В частности, системы SAFC для удаленных нефтегазовых приложений были развернуты для электрификации устьев скважин и отказа от использования пневматических компонентов, которые выбрасывают метан и другие сильные парниковые газы прямо в атмосферу. В настоящее время разрабатывается портативная система SAFC меньшего размера для военных приложений, которая будет работать на стандартном топливе для логистики, таком как судовое дизельное топливо и JP8.
В 2014 году был разработан унитаз, который химически превращает отходы в воду и удобрения с использованием комбинации солнечной энергии и SAFC.
