лекция 12. высокотемпературные топливные элементы
TRANSCRIPT
![Page 1: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/1.jpg)
Химические источники энергии
Лекция 12. Высокотемпературные топливные элементы
![Page 2: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/2.jpg)
План лекции
твердооксидные ТЭ
расплавные ТЭ
Козадеров О.А. 20152
![Page 3: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/3.jpg)
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
![Page 4: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/4.jpg)
Способы повышения скорости реакции
дорогой катализатор
высокая температура!
Козадеров О.А. 20154
![Page 5: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/5.jpg)
Твердооксидныетопливные элементы (ТОТЭ)
Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
Козадеров О.А. 20155
![Page 6: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/6.jpg)
Особенность ТОТЭ
керамический электролит
проводимость обеспечивают ионы кислорода О2-
Козадеров О.А. 20156
![Page 7: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/7.jpg)
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
![Page 8: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/8.jpg)
Схема твердооксидного ТЭ(водородное топливо)
Козадеров О.А. 20158
![Page 9: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/9.jpg)
Схема твердооксидного ТЭ(неводородное топливо)
Козадеров О.А. 20159
![Page 10: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/10.jpg)
Твердый электролит YSZ
оксид циркония (IV),стабилизированный оксидом иттрия (III)
ZrO2 + Y2O3 (8%)
Козадеров О.А. 201510
![Page 11: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/11.jpg)
Формирование анионных вакансий
Козадеров О.А. 201511
чистый ZrO2 YSZ-электролит
![Page 12: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/12.jpg)
Удельная электропроводность YSZ-электролитароль концентрации допанта
Козадеров О.А. 201512
![Page 13: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/13.jpg)
Удельная электропроводность YSZ-электролитатемпературная зависимость
Козадеров О.А. 201513
![Page 14: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/14.jpg)
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
![Page 15: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/15.jpg)
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
![Page 16: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/16.jpg)
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
![Page 17: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/17.jpg)
СЭМ-микрофотография твердооксидного электрохимического элемента
Козадеров О.А. 201517
http://electronicstructure.wikidot.com/predicting-the-ionic-conductivity-of-ysz-from-ab-initio-calc
![Page 18: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/18.jpg)
Типичная поляризационная кривая ТОТЭ
Козадеров О.А. 201518
![Page 19: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/19.jpg)
Применение автономные стационарные установки для
генерации электроэнергии вспомогательные силовые установки на
транспорте
Козадеров О.А. 201519
![Page 20: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/20.jpg)
Расплавкарбонатныетопливные элементы (РКТЭ)
Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
Козадеров О.А. 201520
![Page 21: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/21.jpg)
Электролит
расплав карбонатов
лития и калия (Li/K)
или
лития и натрия (Li/Na)
Козадеров О.А. 201521
![Page 22: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/22.jpg)
Температуры плавления карбонатов
Li2CO3 – 732 °C
K2CO3 – 891 °C
Na2CO3 – 852 °C
Козадеров О.А. 201522
![Page 23: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/23.jpg)
Карбонатные эвтектики
Козадеров О.А. 201523
![Page 24: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/24.jpg)
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
![Page 25: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/25.jpg)
Схема топливного элемента
Козадеров О.А. 201525
![Page 26: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/26.jpg)
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
![Page 27: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/27.jpg)
Применение стационарные энергоустановки
(электрохимические электростанции), работающие непрерывно
Козадеров О.А. 201527
San Diego, California
![Page 28: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/28.jpg)
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. 201528
![Page 29: лекция 12. высокотемпературные топливные элементы](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022032011/55b52fedbb61eb80488b46e1/html5/thumbnails/29.jpg)
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 метанолаb. прямого окисления метанола с анионообменной
мембраной
Задания
Козадеров О.А. 201529