Регенеративный топливный элемент
Регенеративный топливный элемент или реверсивный топливный элемент (RFC) — это топливный элемент , работающий в реверсивном режиме, который потребляет электричество и химическое вещество B для производства химического вещества A. По определению, процесс любого топливного элемента может быть обращен вспять. [1] Однако данное устройство обычно оптимизировано для работы в одном режиме и не может быть сконструировано таким образом, чтобы его можно было использовать в обратном направлении. Стандартные топливные элементы, работающие в обратном направлении, обычно не являются очень эффективными системами, если только они не созданы специально для этого, как в случае электролизеров высокого давления . [2] регенеративные топливные элементы, твердооксидные электролизерные элементы и унифицированные регенеративные топливные элементы . [3]
Описание процесса
[ редактировать ], работающий на водороде топливный элемент с протонообменной мембраной Например, , использует газообразный водород (H 2 ) и кислород (O 2 ) для производства электричества и воды (H 2 O); регенеративный водородный топливный элемент использует электричество и воду для производства водорода и кислорода. [4] [5] [6]
Когда топливный элемент работает в регенеративном режиме, анод для режима производства электроэнергии (режим топливного элемента) становится катодом в режиме генерации водорода (режим обратного топливного элемента) и наоборот. При приложении внешнего напряжения вода на анодной стороне подвергается электролизу с образованием кислорода и протонов; протоны будут транспортироваться через твердый электролит к катоду, где они могут быть восстановлены с образованием водорода. В этом реверсивном режиме полярность элемента противоположна полярности режима топливного элемента. Следующие реакции описывают химический процесс в режиме генерации водорода:
На катоде: H 2 O + 2e − → Н 2 + О 2−
На аноде: О 2− → 1/2О 2 + 2е −
В целом: H 2 O → 1/2O 2 + H 2
Твердооксидный регенеративный топливный элемент
[ редактировать ]Одним из примеров RFC является твердооксидный регенеративный топливный элемент. Твердооксидный топливный элемент работает при высоких температурах с высоким коэффициентом преобразования топлива в электричество и является хорошим кандидатом для высокотемпературного электролиза. [7] Для процесса электролиза в твердооксидных регенеративных топливных элементах (SORFC) требуется меньше электроэнергии из-за высокой температуры.
Электролит может быть O 2− проводящий и/или протон (H + ) проведение. Современное состояние O 2− проведение SORFC на основе стабилизированного иттрием диоксида циркония (YSZ) с использованием Ni-YSZ в качестве водородного электрода и LSM (или LSM-YSZ) в качестве кислородного электрода активно изучается. [7] Дёниц и Эрдле сообщили о работе электролитных ячеек YSZ с плотностью тока 0,3 А см. −2 и 100% эффективность по Фарадею всего при напряжении 1,07 В. [8] Недавнее исследование ученых из Швеции показывает, что композитные электролиты на основе церия, в которых существует как протонная, так и оксидно-ионная проводимость, производят высокий выходной ток для работы топливных элементов и высокий выход водорода для операций электролиза. [9] Цирконий, легированный скандием и церием (10Sc1CeSZ), также исследуется в качестве потенциального электролита в СОРТЭ для производства водорода при промежуточных температурах (500–750 °C). Сообщается, что 10Sc1CeSZ показывает хорошее поведение и дает высокие плотности тока при использовании подходящих электродов. [10]
плотность тока–напряжение ( мкВ Исследованы и записаны кривые ) и спектры импеданса. Импеданс спектры реализуются при подаче переменного тока силой 1–2 А RMS (среднеквадратичное) в диапазоне частот от 30 кГц. до 10 −1 Гц. Спектры импеданса показывают, что сопротивление велико на низких частотах (<10 кГц) и близко к нулю на высоких частотах (>10 кГц). [11] Поскольку высокая частота соответствует активности электролита, а низкие частоты соответствуют электродному процессу, можно сделать вывод, что только небольшая часть общего сопротивления приходится на электролит, а большая часть сопротивления приходится на анод и катод. Следовательно, разработка высокоэффективных электродов имеет важное значение для высокоэффективного SORFC. Удельное сопротивление площади можно определить по наклону кривой jV . Обычно используемыми/испытываемыми материалами электродов являются кермет никель/цирконий (Ni/YSZ) и композит лантанзамещенный титанат стронция/церия для катода SORFC и манганит лантана-стронция (LSM) для анода SORFC. Другими анодными материалами могут быть ферриты лантана-стронция. (LSF), феррит лантан-стронций-кобальт и лантан-стронций-кобальт. Исследования показывают, что Ni/YSZ-электрод был менее активен при работе топливного элемента в обратном направлении, чем при работе топливного элемента, и это можно объяснить процессом, ограниченным диффузией в направлении электролиза, или его восприимчивостью к старению в среде с высоким содержанием пара. в первую очередь за счет укрупнения частиц никеля. [12] Поэтому в качестве катодов для электролиза были предложены альтернативные материалы, такие как композит титанат/церий (La0,35Sr0,65TiO3–Ce0,5La0,5O2-δ) или (La0,75Sr0,25)0,95Mn0,5Cr0,5O3 (LSCM). Сообщается, что как LSF, так и LSM/YSZ являются хорошими кандидатами на анод для режима электролиза. [13] Кроме того, более высокая рабочая температура и более высокий коэффициент абсолютной влажности могут привести к снижению удельного сопротивления площади. [14]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Обучающий комплект по обратимым топливным элементам» . Ecosoul.org. Архивировано из оригинала 11 мая 2008 года . Проверено 24 сентября 2009 г.
- ^ «2001-Электролиз под высоким давлением – ключевая технология для эффективного H.2» (PDF) . Проверено 24 сентября 2009 г. [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ «Microsoft Word — E-14264 Layout.doc» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 29 июня 2009 г. Проверено 24 сентября 2009 г.
- ^ «Электролизер и обратимый топливный элемент» . Nfcrc.uci.edu. Архивировано из оригинала 18 июня 2009 г. Проверено 24 сентября 2009 г.
- ^ «Электрохимический генератор водорода на основе протонообменной мембраны» . Европейская комиссия. 01.10.2005 . Проверено 18 октября 2021 г.
- ^ «Водородно-кислородный регенеративный топливный элемент PEM» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 3 марта 2011 г. Проверено 24 сентября 2009 г.
- ^ Перейти обратно: а б Лагуна-Берсеро, Массачусетс; Кампана, Р.; Ларреа, А.; Килнер, Дж.А.; Орера, В.М. (30 июля 2010 г.). «Производительность и старение микротрубчатых твердооксидных регенеративных топливных элементов на основе YSZ» (PDF) . Топливные элементы . 11 : 116–123. дои : 10.1002/fuce.201000069 . hdl : 10261/53668 . S2CID 33333495 .
- ^ Дёниц, В.; Эрдл, Э. (1985). «Высокотемпературный электролиз водяного пара – состояние развития и перспективы применения». Международный журнал водородной энергетики . 10 (5): 291–295. дои : 10.1016/0360-3199(85)90181-8 .
- ^ чжу, пчела; Ингвар Альбинссон; Камилла Андерссон; Карин Борсанд; Моника Нильссон; Бенгт-Эрик Мелландер (20 февраля 2006 г.). «Исследования по электролизу на основе композитов на основе церия». Электрохимические коммуникации . 8 (3): 495–498. дои : 10.1016/j.elecom.2006.01.011 .
- ^ Лагуна-Берсеро, Массачусетс; С. Дж. Скиннера; Дж. А. Килнер (1 июля 2009 г.). «Работа твердооксидных электролизеров на основе диоксида циркония, стабилизированного скандием» (PDF) . Журнал источников энергии . 192 (1): 126–131. Бибкод : 2009JPS...192..126L . дои : 10.1016/j.jpowsour.2008.12.139 . hdl : 10044/1/13889 .
- ^ Брисс, Аннабель; Йозеф Шефолд; Мохсин Захида (октябрь 2008 г.). «Высокотемпературный электролиз воды в твердооксидных элементах». Международный журнал водородной энергетики . 33 (20): 5375–5382. doi : 10.1016/j.ijhydene.2008.07.120 .
- ^ Марина, ОА; Педерсон, ЛР; Уильямс, MC; Коффи, GW; Мейнхардт, К.Д.; Нгуен, CD; Томсен, ЕС (22 марта 2007 г.). «Работа электродов в обратимых твердооксидных топливных элементах» (PDF) . Журнал Электрохимического общества . 154 (5): Б452. Бибкод : 2007JElS..154B.452M . дои : 10.1149/1.2710209 .
- ^ Лагуна-Берсеро, Массачусетс; Дж. А. Килнер; С. Дж. Скиннер (2011). «Разработка кислородных электродов для обратимых твердооксидных топливных элементов с циркониевыми электролитами, стабилизированными скандием». Ионика твердого тела . 192 : 501–504. дои : 10.1016/j.ssi.2010.01.003 .
- ^ Хаух, А.; СХ Дженсен; С. Рамусс; М. Могенсен (18 июля 2006 г.). «Производительность и долговечность ячеек твердооксидного электролиза» . Журнал Электрохимического общества . 153 (9): А1741. Бибкод : 2006JElS..153A1741H . дои : 10.1149/1.2216562 . S2CID 98331744 .