Регенеративный топливный элемент - Regenerative fuel cell

А регенеративный топливный элемент или же обратный топливный элемент (RFC) - это топливная ячейка работать в реверсивном режиме, при котором потребляется электричество и химическое вещество B для производства химического вещества A. По определению, процесс любого топливного элемента можно обратить вспять.[1] Однако данное устройство обычно оптимизировано для работы в одном режиме и не может быть сконструировано таким образом, чтобы им можно было управлять в обратном направлении. Стандартные топливные элементы, работающие в обратном направлении, обычно не создают очень эффективных систем, если они не специально созданы для этого, как в случае с. электролизеры высокого давления,[2] регенеративные топливные элементы, ячейки с твердооксидным электролизером и единичные регенеративные топливные элементы.[3]

Описание процесса

На водороде топливный элемент с протонообменной мембраной, например, использует водородный газ (ЧАС2) и кислород (O2) для производства электроэнергии и воды (H2О); 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 генерирования водорода (режим обратного топливного элемента), и наоборот. При приложении внешнего напряжения вода на катодной стороне подвергается электролизу с образованием ионов водорода и оксидов; ионы оксида переносятся через электролит к аноду, где он может окисляться с образованием кислорода. В этом обратном режиме полярность элемента противоположна полярности для режима топливного элемента. Следующие реакции описывают химический процесс в режиме генерации водорода:

На катоде: H2O + 2e− → H2 + O2−

На аноде: O2− → 1 / 2O2 + 2e−

Общий: H2O → 1 / 2O2 + H2

Твердооксидный регенеративный топливный элемент (SORFC)

Одним из примеров RFC является регенеративный топливный элемент на твердом оксиде. 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 SORFC требуется меньше электроэнергии из-за высокой температуры.

Электролит может быть O2− проводящий и / или протонный (H+) проведение. Современное состояние O2− Проводящие SORFC на основе стабилизированного оксидом иттрия (YSZ) диоксида циркония (YSZ) с использованием Ni – YSZ в качестве водородного электрода и LSM (или LSM – YSZ) в качестве кислородного электрода активно изучаются.[7] Дёниц и Эрдл сообщили о работе электролитических ячеек YSZ с плотностью тока 0,3 А · см.−2 и 100% КПД по Фарадею всего при 1,07 В.[8] Недавнее исследование, проведенное исследователями из Швеции, показывает, что композитные электролиты на основе оксида церия, в которых существует как протонная, так и оксидная ионная проводимость, вырабатывают высокий выходной ток для работы топливных элементов и высокий выход водорода для процесса электролиза.[9] Диоксид циркония с добавками скандия и церия (10Sc1CeSZ) также исследуется в качестве потенциального электролита в SORFC для производства водорода при промежуточных температурах (500-750 ° C). Сообщается, что 10Sc1CeSZ показывает хорошие характеристики и выдает высокие плотности тока с подходящими электродами.[10]

Исследованы и записаны кривые плотность тока – напряжение (j – V) и спектры импеданса. Спектры импеданса реализуются при использовании переменного тока среднеквадратичным значением 1-2A (среднеквадратичное значение) в диапазоне частот от 30 кГц до 10 кГц.−1 Гц. Спектры импеданса показывают, что сопротивление высокое на низких частотах (<10 кГц) и близкое к нулю на высоких частотах (> 10 кГц).[11] Поскольку высокая частота соответствует активности электролита, а низкая частота соответствует процессу электродов, можно сделать вывод, что лишь небольшая часть общего сопротивления приходится на электролит, а наибольшее сопротивление приходится на анод и катод. Следовательно, разработка электродов с высокими рабочими характеристиками имеет важное значение для высокой эффективности SORFC. Удельное сопротивление по площади (ASR) можно получить из наклона кривой j-V. Обычно используемые / проверенные материалы электродов - это кермет никель / диоксид циркония (Ni / YSZ) и композит титанат стронция / оксид лантана для катода SORFC и манганит лантана-стронция (LSM) для анода SORFC. Другими материалами анода могут быть феррит лантана-стронция (LSF), феррит лантана-стронция-медь (LSCuF) и феррит лантана-стронция-кобальта (LSCoF). Исследования показывают, что электрод Ni / YSZ был менее активен в режиме обратного топливного элемента, чем в режиме топливного элемента, и это можно объяснить ограниченным диффузией процессом в направлении электролиза или его склонностью к старению в среде с высоким содержанием пара, в первую очередь из-за укрупнения никелевых частиц.[12] Поэтому были предложены альтернативные материалы, такие как композит титанат / диоксид церия (La0,35Sr0,65TiO3 – Ce0,5La0,5O2-δ) или (La0,75Sr0,25) 0,95Mn0,5Cr0,5O3 (LSCM), были предложены для электролизных катодов. И LSF, и LSM / YSZ считаются хорошими кандидатами на анод для режима электролиза.[13] Кроме того, более высокая рабочая температура и более высокий коэффициент абсолютной влажности (AH) могут привести к более низкому ASR.[14]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Учебный комплект для реверсивных топливных элементов». Ecosoul.org. Архивировано из оригинал 11 мая 2008 г.. Получено 2009-09-24.
  2. ^ «2001-Электролиз под высоким давлением - ключевая технология для эффективного H.2» (PDF). Получено 2009-09-24.[постоянная мертвая ссылка ]
  3. ^ "Microsoft Word - E-14264 Layout.doc" (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2009-06-29. Получено 2009-09-24.
  4. ^ «Электролизер и обратимый топливный элемент». Nfcrc.uci.edu. Архивировано из оригинал на 2009-06-18. Получено 2009-09-24.
  5. ^ «6-я рамочная программа, исследования - программа STREP GenHyPEM № 019802 и Глобальная энергия». Whec2008.com. 2008-06-19. Получено 2009-09-24.
  6. ^ «Водородно-кислородный регенеративный топливный элемент на основе ПЭМ» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-03-03. Получено 2009-09-24.
  7. ^ а б Laguna-Bercero, M.A .; Campana, R .; Larrea, A .; Килнер, Дж. А .; Орера, В. М. (30 июля 2010 г.). «Характеристики и старение регенеративных топливных элементов на основе микротрубок на основе YSZ» (PDF). Топливные элементы. 11: 116–123. Дои:10.1002 / fuce.201000069. HDL:10261/53668.
  8. ^ Dönitz, W .; Эрдл Э. (1985). «Высокотемпературный электролиз водяного пара - состояние разработки и перспективы применения». Международный журнал водородной энергетики. 10 (5): 291–295. Дои:10.1016/0360-3199(85)90181-8.
  9. ^ чжу, Бин; Ингвар Альбинссон; Камилла Андерссон; Карин Борсанд; Моника Нильссон; Бенгт-Эрик Мелландер (20 февраля 2006 г.). «Электролизные исследования на основе композитов на основе церия». Электрохимические коммуникации. 8 (3): 495–498. Дои:10.1016 / j.elecom.2006.01.011.
  10. ^ Laguna-Bercero, M.A; С.Дж. Скиннера; J.A. Килнер (1 июля 2009 г.). «Характеристики твердооксидных электролизеров на основе диоксида циркония, стабилизированного скандием» (PDF). Журнал источников энергии. 192 (1): 126–131. Bibcode:2009JPS ... 192..126L. Дои:10.1016 / j.jpowsour.2008.12.139. HDL:10044/1/13889.
  11. ^ Брисс, Аннабель; Йозеф Шефолд; Мохсин Захида (октябрь 2008 г.). «Высокотемпературный электролиз воды в твердооксидных ячейках». Международный журнал водородной энергетики. 33 (20): 5375–5382. Дои:10.1016 / j.ijhydene.2008.07.120.
  12. ^ Марина, О. А .; Педерсон, Л. Р .; Уильямс, М. С .; Coffey, G.W .; Meinhardt, K. D .; Nguyen, C.D .; Томсен, Э. К. (22 марта 2007 г.). «Характеристики электродов в обратимых твердооксидных топливных элементах» (PDF). Журнал Электрохимического общества. 154 (5): B452. Дои:10.1149/1.2710209.
  13. ^ Laguna-Bercero, M.A .; J.A. Килнер; С.Дж. Скиннер (2011). «Разработка кислородных электродов для обратимых твердооксидных топливных элементов с электролитами из диоксида циркония, стабилизированного скандием». Ионика твердого тела. 192: 501–504. Дои:10.1016 / j.ssi.2010.01.003.
  14. ^ Hauch, A .; С. Х. Йенсен; С. Рамусс; М. Могенсен (18 июля 2006 г.). «Производительность и долговечность твердооксидных электролизеров». Журнал Электрохимического общества. 153 (9): A1741. Дои:10.1149/1.2216562.

внешняя ссылка