Протонный керамический топливный элемент
Протонный керамический топливный элемент или PCFC — это топливный элемент, основанный на керамическом твердом электролитном материале в качестве проводника протонов от анода к катоду . [1] Эти топливные элементы производят электричество, удаляя электрон из атома водорода, проталкивая заряженный атом водорода через керамическую мембрану и возвращая электрон водороду на другой стороне керамической мембраны во время реакции с кислородом. Реакция многих предлагаемых видов топлива в PCFC производит электричество и тепло, последнее поддерживает подходящую температуру устройства. Эффективная протонная проводимость через большинство обнаруженных керамических электролитных материалов требует повышенных рабочих температур около 400-700 градусов Цельсия. [2] [3] однако керамические топливные элементы с промежуточной температурой (200-400 градусов Цельсия) [4] и альтернатива более низкой температуре являются активной областью исследований. [5] Помимо газообразного водорода, возможность работы при средних и высоких температурах позволяет использовать различные виды жидкого топлива-носителя водорода, в том числе: аммиак, [6] и метан. [7] Технология разделяет термические и кинетические преимущества. [ который? ] высокотемпературных топливных элементах с расплавленным карбонатом и твердыми оксидами , демонстрируя при этом все внутренние преимущества протонной проводимости в топливных элементах с протонообменной мембраной (PEMFC) и топливных элементах на фосфорной кислоте (PAFC). PCFC выбрасывают воду на катоде и неиспользованное топливо, продукты топливных реагентов и примеси топлива на аноде. Обычный химический состав керамических мембран: цирконат бария (BaZrO 3 ), [1] церат бария (BaCeO 3 ), [8] дигидрофосфат цезия (CsH2PO4), [9] и сложные твердые растворы этих материалов с другими керамическими оксидами. Кислотно-оксидную керамику иногда разделяют на отдельный класс протонных керамических топливных элементов, называемый « твердокислотными топливными элементами ».
Некоторые PCFC работают при достаточно высоких температурах, что позволяет электрохимически окислять топливо на аноде, не требуя промежуточного этапа производства водорода посредством процесса риформинга. [ нужна ссылка ] . В этом случае газообразные молекулы углеводородного топлива абсорбируются на поверхности анода в присутствии паров воды, причем углекислый газ первичным продуктом реакции является ; Атомы водорода эффективно отделяются и превращаются в ионы H+, а затем перемещаются в электролит на другую сторону ( катод ), где они вступают в реакцию с кислородом воздуха с образованием воды. Другие PCFC работают при более низких температурах и используют химические катализаторы в дополнение к электрохимическим катализаторам для производства водорода для реакции восстановления. [6]
Механическая стабильность
[ редактировать ]Характеристика механических свойств ПХФУ является активной областью исследований. Одним из простых методов повышения механической стабильности является введение спекающих добавок, таких как ZnO. [10] За счет включения ZnO в спекание цирконата бария, легированного иттрием (BZY), температура спекания была снижена до 1300 ° C и произошло теоретическое уплотнение более 93%. [11] Текущий механизм увеличения уплотнения неизвестен, но, вероятно, он связан с созданием вторичной фазы ZnO или частичным замещением Zr. 4+ на сайты Zn или Y. [12] К сожалению, было обнаружено, что спекающие добавки ZnO значительно снижают протонную проводимость BZY, что создает необходимость дальнейшего исследования потенциальных спекающих добавок. [13]
Образование трещин в материалах PCFC может резко снизить долговечность элемента и в крайних случаях привести к его полному выходу из строя. Следовательно, следует учитывать коэффициенты теплового расширения (TEC) каждого материала, поскольку большое несоответствие приведет к образованию трещин. Фактически, Ирвин и др. произвела PCFC с использованием BaCe 0,7 Zr 0,1 Y 0,15 Zn 0,05 O 3-δ (BCZYZn05) в аноде , катоде и электролите для улучшения согласования теплового расширения. [14] В качестве проводника протонов BCZYZn05 можно использовать по всей клетке, не вызывая паразитной утечки электронов, обеспечивая при этом поддерживающую основу всей клетки. Было обнаружено, что использование наноиндентирования BCZYZn05 увеличивает твердость компонентов топливного элемента при необходимой электрохимической реакционной способности и проводимости. [14]
Атмосферные условия, используемые во время обработки, также могут привести к образованию трещин. Если электролит BZY подвергается воздействию влажных газов во время изготовления, в материал попадает вода. Чтобы смягчить сжимающее напряжение, вызванное поглощением воды, гидратацию BZY следует проводить при высоких температурах. [15] [16] Трещины могут не появиться при обработке, но могут возникнуть при хранении. Об этом сообщалось для электрохимических ячеек, использующих BaCe 0,2 Zr 0,7 Y 0,1 O 3-δ в качестве электролита. [17] Здесь трещины были предотвращены путем воздействия на элемент восстановительной среды сразу после спекания, что уменьшило несоответствие ТЭП между опорами электродов и электролитом.
Приложения и коммерческое развитие
[ редактировать ]PCFC, работающие при промежуточной температуре 200–400 градусов Цельсия, были предложены для грузовых автомобилей большой грузоподъемности. [18] Приложения дистанционного энергоснабжения с использованием PCFC были продемонстрированы на канадских нефтяных скважинах. [19]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Крейер, К.Д. (1 августа 2003 г.). «Протонпроводящие оксиды» . Ежегодный обзор исследований материалов . 33 (1): 333–359. Бибкод : 2003AnRMS..33..333K . дои : 10.1146/annurev.matsci.33.022802.091825 . ISSN 1531-7331 .
- ^ Ван, Чжэн; Ван, Юхао; Ван, Цзянь; Сун, Юфэй; Робсон, Мэтью Дж.; Сон, Арим; Ян, Мэйтинг; Чжан, Чжици; Белотти, Алессио; Лю, Цзяпэн; Ким, Гунтэ; Лим, Чону; Шао, Цзунпин; Чиуччи, Франческо (сентябрь 2022 г.). «Рациональное проектирование перовскитных ферритов как высокоэффективных протонпроводящих катодов топливных элементов» . Природный катализ . 5 (9): 777–787. дои : 10.1038/s41929-022-00829-9 . ISSN 2520-1158 .
- ^ Цао, Цзяфэн; Цзи, Юэсия; Шао, Цзунпин (2022). «Перовскиты для протонных керамических топливных элементов: обзор» . Энергетика и экология . 15 (6): 2200–2232. дои : 10.1039/D2EE00132B . ISSN 1754-5692 .
- ^ Хайле, Сосина М (01 марта 2003 г.). «Материалы для топливных элементов» . Материалы сегодня . 6 (3): 24–29. дои : 10.1016/S1369-7021(03)00331-6 . ISSN 1369-7021 .
- ^ Мэн, Юйцин; Гао, Цзюнь; Чжао, Цзэю; Аморосо, Джейк; Тонг, Цзяньхуа; Бринкман, Кайл С. (01 июля 2019 г.). «Обзор: последние достижения в области низкотемпературной протонпроводящей керамики» . Журнал материаловедения . 54 (13): 9291–9312. Бибкод : 2019JMatS..54.9291M . дои : 10.1007/s10853-019-03559-9 . ISSN 1573-4803 . S2CID 146646545 .
- ^ Jump up to: а б Лим, Дэ-Кван; Плимилл, Остин Б.; Пайк, Хэмин; Цянь, Синь; Зечевич, Страхинья; Чисхолм, Калум Р.И.; Хайле, Сосина М. (18 ноября 2020 г.). «Твердокислотная электрохимическая ячейка для получения водорода из аммиака» . Джоуль . 4 (11): 2338–2347. Бибкод : 2020Джоуль...4.2338L . дои : 10.1016/j.joule.2020.10.006 . ISSN 2542-4785 . S2CID 228820554 .
- ^ Ле, Лонг Кью; Эрнандес, Каролина Херрадон; Родригес, Маркос Эрнандес; Чжу, Лянчжу; Дуань, Чуанчэн; Дин, Ханпин; О'Хэйр, Райан П.; Салливан, Нил П. (15 января 2021 г.). «Протонпроводящие керамические топливные элементы: масштабирование и интеграция штабеля» . Журнал источников энергии . 482 : 228868. Бибкод : 2021JPS...48228868L . дои : 10.1016/j.jpowsour.2020.228868 . ISSN 0378-7753 . S2CID 224853168 .
- ^ Прекрасно, Идрис Темитопе; Чжай, Шуо; Да, Цицзяо; Ченг, Чун; Дай, Явен; Чен, Бин; Чжан, Юань; Да, Мэн (10 марта 2022 г.). «Разработка и перспективы материалов для протонных керамических топливных элементов» . Международный журнал энергетических исследований . 46 (3): 2212–2240. Бибкод : 2022IJER...46.2212B . дои : 10.1002/er.7371 . ISSN 0363-907X .
- ^ Хайле, Сосина М.; Бойсен, датчанин А.; Чисхолм, Калум Р.И.; Мерл, Райан Б. (2001). «Твердые кислоты как электролиты топливных элементов» . Природа . 410 (6831): 910–913. Бибкод : 2001Natur.410..910H . дои : 10.1038/35073536 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 11309611 . S2CID 4430178 .
- ^ Тао, Юго-Запад; Ирвин, JTS (19 июня 2006 г.). «Стабильный, легко спекаемый протонпроводящий оксидный электролит для среднетемпературных топливных элементов и электролизеров» . Продвинутые материалы . 18 (12): 1581–1584. Бибкод : 2006AdM....18.1581T . дои : 10.1002/adma.200502098 . ISSN 0935-9648 .
- ^ Бабило, Питер; Хайле, Сосина М. (26 мая 2009 г.). «Улучшенное спекание цирконата бария, легированного иттрием, путем добавления ZnO» . Журнал Американского керамического общества . 88 (9): 2362–2368. дои : 10.1111/j.1551-2916.2005.00449.x . ISSN 0002-7820 .
- ^ Соарес, Хелена София; Антунес, Изабель; Лоурейро, Франсиско Х.А.; Перес-Колл, Доминго; Виллингер, Марк-Георг; Брандао, Ана Д.; Мэзер, Гленн К.; Фагг, Дункан П. (июль 2021 г.). «Влияние механизма добавления спекающей добавки ZnO на уплотнение, микроструктуру и электрические свойства протонпроводящего перовскита Ba(Zr,Y)O3-δ» . Международный журнал водородной энергетики . 46 (52): 26466–26477. doi : 10.1016/j.ijhydene.2021.05.109 . ISSN 0360-3199 .
- ^ Хан, Дунлин; Уэмура, Сигеаки; Хирайва, Тихиро; Мадзима, Масатоши; Уда, Тецуя (11 декабря 2018 г.). «Вредное воздействие спекающих добавок на проводящую керамику: цирконат бария, легированный иттрием» . ChemSusChem . 11 (23): 4102–4113. Бибкод : 2018ЧСЧ..11.4102H дои : 10.1002/cssc.201801837 . hdl : 2433/236387 . ISSN 1864-5631 . ПМИД 30221836 .
- ^ Jump up to: а б Азад, Абул К.; Абдалла, Абдалла М.; Афиф, Ахмед; Азад, Атия; Застыл, Шаммья; Идрис, Азам Че; Пак, Джун-Янг; Сакиб, Мохаммед; Раденахмад, Никдалила; Хоссейн, Шахзад; Элиус, Ифтахар Бин; Аль-Мамун, Мэриленд; Зайни, Джулиана; Аль-Хинай, Амер; Реза, Мэриленд Сумон (29 сентября 2021 г.). «Улучшенная механическая прочность, протонная проводимость и удельная мощность в «полностью протонном» керамическом топливном элементе при промежуточной температуре» . Научные отчеты . 11 (1): 19382. Бибкод : 2021NatSR..1119382A . дои : 10.1038/s41598-021-98987-6 . hdl : 10023/24077 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 8481227 . ПМИД 34588598 .
- ^ Ониси, Такаюки; Хан, Дунлин; Нода, Ёхей; Хатада, Наоюки; Мадзима, Масатоши; Уда, Тецуя (апрель 2018 г.). «Оценка работоспособности и долговечности металлокерамических электродов Ni-BZY с электролитом BZY» . Ионика твердого тела . 317 : 127–135. дои : 10.1016/j.ssi.2018.01.015 . ISSN 0167-2738 .
- ^ Лёкен, Андреас; Рикоте, Сандрин; Вачовски, Себастьян (сентябрь 2018 г.). «Термическое и химическое расширение в протонных керамических электролитах и совместимых электродах» . Кристаллы . 8 (9): 365. дои : 10.3390/cryst8090365 . hdl : 10852/71212 . ISSN 2073-4352 .
- ^ Пиру, Стивен; Ван, Цинцзе; Хаджави, Пейман; Георголампру, Ксанти; Рикоте, Сандрин; Чен, Мин; Кибах, Рагнар (февраль 2022 г.). «Плоские протонпроводящие керамические ячейки для извлечения водорода: механические свойства, электрохимические характеристики и масштабирование» . Международный журнал водородной энергетики . 47 (10): 6745–6754. Бибкод : 2022IJHE...47.6745P . doi : 10.1016/j.ijhydene.2021.12.041 . ISSN 0360-3199 .
- ^ Гиттлман, Крейг С.; Цзя, Хунфэй; Кастро, Эмори С. Де; Чисхолм, Калум Р.И.; Ким, Ю Сын (21 июля 2021 г.). «Протонные проводники для топливных элементов большегрузных автомобилей» . Джоуль . 5 (7): 1660–1677. Бибкод : 2021Джоуль...5,1660Гс . дои : 10.1016/j.joule.2021.05.016 . ISSN 2542-4785 . S2CID 236285846 .
- ^ Топливные ячейки работают. «SAFCell завершает полевые испытания топливных элементов мощностью 50 Вт на буровой площадке Shell Canada — FuelCellsWorks» . Проверено 8 ноября 2021 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Сервис, Роберт Ф. (12 марта 2019 г.). «Новый топливный элемент может помочь решить проблему хранения возобновляемой энергии» . Наука . дои : 10.1126/science.aax3098 . S2CID 242193448 . Проверено 14 марта 2019 г.
- Дуань, Чуанчэн и др. «Легко обрабатываемые протонные керамические топливные элементы с высокой производительностью при низких температурах». Наука 349.6254 (2015): 1321-1326.
- Дуань, Чуанчэн и др. «Очень прочные, устойчивые к коксованию и сере, гибкие в использовании протонные керамические топливные элементы». Природа 557.7704 (2018): 217.
- Дуань, Чуанчэн и др. «Высокоэффективные обратимые протонные керамические электрохимические элементы для производства электроэнергии и топлива». Энергия природы 4.3 (2019): 230.