Твердооксидный топливный элемент
Топливный элемент, который вырабатывает электричество путем окисления

Схема твердооксидного топливного элемента

Твердооксидный топливный элемент (или SOFC ) — это электрохимическое преобразовательное устройство, которое производит электричество непосредственно путем окисления топлива . Топливные элементы характеризуются материалом электролита; SOFC имеет твердый оксидный или керамический электролит .

Преимущества этого класса топливных элементов включают высокую комбинированную эффективность тепла и мощности, долговременную стабильность, топливную гибкость, низкие выбросы и относительно низкую стоимость. Самым большим недостатком является высокая рабочая температура , которая приводит к более длительному времени запуска и проблемам механической и химической совместимости. [1]

Введение

Твердооксидные топливные элементы представляют собой класс топливных элементов , характеризующихся использованием твердооксидного материала в качестве электролита . ТОТЭ используют твердооксидный электролит для проведения отрицательных ионов кислорода от катода к аноду . Электрохимическое окисление водорода , оксида углерода или других органических промежуточных продуктов ионами кислорода, таким образом, происходит на стороне анода. [2] [3] Совсем недавно были разработаны протонпроводящие ТОТЭ (PC-SOFC), которые транспортируют протоны вместо ионов кислорода через электролит, с преимуществом возможности работать при более низких температурах, чем традиционные ТОТЭ. [4] [5]

Они работают при очень высоких температурах, обычно от 600 до 1000 °C. [2] [3] При этих температурах SOFC не требуют дорогостоящего катализатора на основе металлов платиновой группы , [3] [6], как это в настоящее время необходимо для низкотемпературных топливных элементов, таких как PEMFC , и не уязвимы для отравления катализатора оксидом углерода. Однако уязвимость к отравлению серой [7] [3] [8] широко наблюдалась, и серу необходимо удалить перед поступлением в элемент. Для топлива более низкого качества, такого как газифицированная биомасса, уголь или биогаз , обработка топлива становится все более сложной и, следовательно, более дорогой. Процесс газификации, который преобразует сырье в газообразное состояние, пригодное для топливных элементов, может генерировать значительные количества соединений, таких как метан и толуол, а также более крупные полиароматические и короткоцепочечные углеводородные соединения. Эти вещества могут привести к накоплению углерода в SOFC. Расходы, связанные с риформингом и десульфурацией, сопоставимы по величине со стоимостью самого топливного элемента. Эти факторы становятся особенно важными для систем с меньшей выходной мощностью или большими требованиями к портативности. [9]

Твердооксидные топливные элементы имеют широкий спектр применения: от использования в качестве вспомогательных силовых установок в транспортных средствах до стационарной генерации электроэнергии с выходной мощностью от 100 Вт до 2 МВт. В 2009 году австралийская компания Ceramic Fuel Cells успешно достигла эффективности устройства SOFC до ранее теоретической отметки в 60%. [10] [11] Более высокая рабочая температура делает SOFC подходящими кандидатами для использования в устройствах рекуперации энергии тепловых двигателей или комбинированного производства тепла и электроэнергии , что дополнительно увеличивает общую топливную эффективность . [12]

Из-за этих высоких температур легкие углеводородные топлива, такие как метан, пропан и бутан, могут быть внутренне реформированы внутри анода. [13] SOFC также могут работать на топливе путем внешнего реформирования более тяжелых углеводородов, таких как бензин, дизельное топливо, реактивное топливо (JP-8) или биотопливо. Такие риформаты представляют собой смеси водорода, оксида углерода, диоксида углерода, пара и метана, образующиеся при реакции углеводородных топлив с воздухом или паром в устройстве, расположенном выше по потоку от анода SOFC. Системы питания SOFC могут повышать эффективность, используя тепло, выделяемое экзотермическим электрохимическим окислением внутри топливного элемента, для эндотермического процесса парового реформинга . Кроме того, твердые топлива, такие как уголь и биомасса, могут быть газифицированы для образования синтез-газа , который подходит для питания SOFC в интегрированных циклах газификации топливных элементов .

Тепловое расширение требует равномерного и хорошо регулируемого процесса нагрева при запуске. Для нагрева стеков SOFC с плоской геометрией требуется порядка часа до рабочей температуры. Геометрии микротрубчатых топливных элементов [14] [15] обещают гораздо более быстрое время запуска, обычно порядка минут.

В отличие от большинства других типов топливных элементов, SOFC могут иметь несколько геометрий. Геометрия конструкции плоского топливного элемента является типичной геометрией типа сэндвича, используемой большинством типов топливных элементов, где электролит зажат между электродами. SOFC также могут быть изготовлены в трубчатой ​​геометрии, где либо воздух, либо топливо пропускается через внутреннюю часть трубки, а другой газ пропускается по внешней стороне трубки. Трубчатая конструкция выгодна, поскольку гораздо проще изолировать воздух от топлива. Однако производительность плоской конструкции в настоящее время лучше, чем производительность трубчатой ​​конструкции, поскольку плоская конструкция имеет сравнительно меньшее сопротивление. Другие геометрии SOFC включают модифицированные конструкции плоского топливного элемента (MPC или MPSOFC), где волнообразная структура заменяет традиционную плоскую конфигурацию плоской ячейки. Такие конструкции весьма перспективны, поскольку они разделяют преимущества как плоских ячеек (низкое сопротивление), так и трубчатых ячеек. [ необходима цитата ]

Операция

Поперечное сечение трех керамических слоев трубчатого SOFC. От внутреннего к внешнему: пористый катод, плотный электролит, пористый анод

Твердооксидный топливный элемент состоит из четырех слоев, три из которых являются керамическими (отсюда и название). Отдельная ячейка, состоящая из этих четырех слоев, сложенных вместе, обычно имеет толщину всего несколько миллиметров. Сотни таких ячеек затем соединяются последовательно, образуя то, что большинство людей называют «стопкой SOFC». Керамика, используемая в SOFC, не становится электрически и ионно активной, пока не достигнет очень высокой температуры, и, как следствие, стопки должны работать при температурах от 500 до 1000 °C. Восстановление кислорода до ионов кислорода происходит на катоде. Затем эти ионы могут диффундировать через твердый оксидный электролит к аноду, где они могут электрохимически окислять топливо. В этой реакции выделяется побочный продукт — вода, а также два электрона. Затем эти электроны протекают через внешнюю цепь, где они могут выполнять работу. Затем цикл повторяется, поскольку эти электроны снова попадают в материал катода.

Баланс завода

Большая часть простоя SOFC связана с механическим балансом завода, воздухоподогревателем , предреформером, дожигателем , водяным теплообменником , анодным окислителем хвостового газа и электрическим балансом завода, силовой электроникой , датчиком сероводорода и вентиляторами. Внутренний риформинг приводит к значительному снижению баланса затрат завода при проектировании полной системы. [11]

Анод

Керамический анодный слой должен быть очень пористым, чтобы топливо могло течь к электролиту. Следовательно, для процедур изготовления анодов часто выбирают гранулированный материал. [16] Как и катод, он должен проводить электроны, причем ионная проводимость является определенным преимуществом. Анод обычно является самым толстым и прочным слоем в каждой отдельной ячейке, поскольку он имеет наименьшие потери поляризации, и часто является слоем, который обеспечивает механическую поддержку. С электрохимической точки зрения, работа анода заключается в использовании ионов кислорода, которые диффундируют через электролит, для окисления водородного топлива . Реакция окисления между ионами кислорода и водородом производит тепло, а также воду и электричество. Если топливо представляет собой легкий углеводород, например, метан, другой функцией анода является действие в качестве катализатора для парового риформинга топлива в водород. Это обеспечивает еще одно эксплуатационное преимущество для батареи топливных элементов, поскольку реакция риформинга является эндотермической, что охлаждает батарею изнутри. Наиболее распространенным используемым материалом является металлокерамика, состоящая из никеля, смешанного с керамическим материалом, который используется для электролита в этой конкретной ячейке, обычно YSZ (стабилизированный оксидом иттрия цирконий). Одним из вариантов создания анода является использование ленточного литья после приготовления суспензии с помощью резонансного акустического смешивания. Такое смешивание с низким воздействием позволяет эффективно комбинировать суспензии NiO-YSZ примерно за 30 минут, что более чем в 140 раз быстрее, чем при обычном измельчении в шаровой мельнице (72 часа). [17] Катализаторы на основе наноматериалов помогают остановить рост зерен никеля. Более крупные зерна никеля уменьшат контактную площадь, через которую могут проходить ионы, что снизит эффективность ячейки. Было показано, что перовскитные материалы (смешанная ионно-электронная проводящая керамика) производят плотность мощности 0,6 Вт/см2 при 0,7 В при 800 °C, что возможно, поскольку они обладают способностью преодолевать большую энергию активации . [18]

Химическая реакция:

Н2 + О2- ——> Н2О + 2е

Однако есть несколько недостатков, связанных с YSZ как анодным материалом. Огрубление Ni, отложение углерода, окислительно-восстановительная нестабильность и отравление серой являются основными препятствиями, ограничивающими долгосрочную стабильность Ni-YSZ. Огрубление Ni относится к эволюции частиц Ni в легированном YSZ, увеличивая размер зерна, что уменьшает площадь поверхности для каталитической реакции. Отложение углерода происходит, когда атомы углерода, образованные пиролизом углеводородов или диспропорционированием CO, осаждаются на каталитической поверхности Ni. [19] Отложение углерода становится важным, особенно при использовании углеводородного топлива, т. е. метана, синтез-газа. Высокая рабочая температура SOFC и окислительная среда облегчают окисление катализатора Ni через реакцию Ni + 1 ⁄ 2 O 2 = NiO. Реакция окисления Ni снижает электрокаталитическую активность и проводимость. Более того, разница в плотности между Ni и NiO вызывает изменение объема на поверхности анода, что потенциально может привести к механическому отказу. Отравление серой происходит при использовании такого топлива, как природный газ, бензин или дизельное топливо. Опять же, из-за высокого сродства между соединениями серы (H 2 S, (CH 3 ) 2 S) и металлическим катализатором, даже мельчайшие примеси соединений серы в потоке сырья могут дезактивировать катализатор Ni на поверхности YSZ. [20]

Текущие исследования сосредоточены на снижении или замене содержания Ni в аноде для улучшения долговременной производительности. Модифицированный Ni-YSZ, содержащий другие материалы, включая CeO 2 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 , MgO, TiO 2 , Ru, Co и т. д., изобретен для сопротивления отравлению серой, но улучшение ограничено из-за быстрой начальной деградации. [21] Анод из цементной меди на основе меди рассматривается как решение для отложения углерода, поскольку он инертен к углероду и стабилен при типичных парциальных давлениях кислорода SOFC (pO 2 ). Биметаллические аноды Cu-Co, в частности, показывают большое сопротивление отложению углерода после воздействия чистого CH 4 при 800 °C. [22] А Cu-CeO 2 -YSZ демонстрирует более высокую скорость электрохимического окисления по сравнению с Ni-YSZ при работе на CO и синтез-газе и может достигать даже более высокой производительности при использовании CO, чем H 2 , после добавления кобальтового сокатализатора. [23] Оксидные аноды, включая флюорит и перовскиты на основе циркония, также используются для замены Ni-керамических анодов для сопротивления углероду. Хромит, т.е. La 0,8 Sr 0,2 Cr 0,5 Mn 0,5 O 3 (LSCM), используется в качестве анодов и демонстрирует сопоставимые характеристики с анодами из кермета Ni–YSZ. LSCM дополнительно улучшается путем пропитки Cu и распыления Pt в качестве токосъемника. [22]

Электролит

Электролит представляет собой плотный слой керамики, который проводит ионы кислорода. Его электронная проводимость должна поддерживаться как можно ниже, чтобы предотвратить потери от токов утечки. Высокие рабочие температуры SOFC позволяют кинетике переноса ионов кислорода быть достаточной для хорошей производительности. Однако, когда рабочая температура приближается к нижнему пределу для SOFC около 600 °C, электролит начинает иметь большие сопротивления ионного переноса и влиять на производительность. Популярные электролитные материалы включают стабилизированный иттрием цирконий (YSZ) (часто 8% форма 8YSZ), стабилизированный скандием цирконий (ScSZ) (обычно 9 моль% Sc 2 O 3 – 9ScSZ) и легированный гадолинием церий (GDC). [24] Электролитный материал имеет решающее влияние на производительность элемента. [25] Были обнаружены вредные реакции между электролитами YSZ и современными катодами, такими как феррит лантана-стронция-кобальта (LSCF), и их можно предотвратить с помощью тонких (<100 нм) диффузионных барьеров из церия . [26]

Если проводимость для ионов кислорода в SOFC может оставаться высокой даже при более низких температурах (текущая цель в исследовании ~500 °C), выбор материалов для SOFC расширится, и многие существующие проблемы могут быть потенциально решены. Определенные методы обработки, такие как осаждение тонких пленок [27], могут помочь решить эту проблему с существующими материалами путем:

  • уменьшение расстояния перемещения ионов кислорода и сопротивления электролита, поскольку сопротивление пропорционально длине проводника;
  • создание зернистых структур с меньшим сопротивлением, таких как столбчатая зернистая структура;
  • управление микроструктурными нанокристаллическими мелкими зернами для достижения «тонкой настройки» электрических свойств;
  • Было показано, что строительный композит, имеющий большие площади интерфейса в качестве интерфейсов, обладает исключительными электрическими свойствами.

Катод

Катод , или воздушный электрод , представляет собой тонкий пористый слой на электролите, где происходит восстановление кислорода. Общая реакция записывается в нотации Крёгера-Винка следующим образом:

1 2 О 2 ( г ) + 2 е ′ + В о ∙ ∙ ⟶ О о × {\displaystyle {\frac {1}{2}}\mathrm {O_{2}(g)} +2\mathrm {e'} +{V}_{o}^{\bullet \bullet }\longrightarrow {O}_{o}^{\times }}

Материалы катода должны быть, как минимум, электропроводящими. В настоящее время манганит лантана-стронция (LSM) является предпочтительным катодным материалом для коммерческого использования из-за его совместимости с легированными циркониевыми электролитами. С механической точки зрения он имеет аналогичный коэффициент теплового расширения с YSZ и, таким образом, ограничивает накопление напряжений из-за несоответствия КТР. Кроме того, LSM имеет низкие уровни химической реактивности с YSZ, что продлевает срок службы материалов. К сожалению, LSM является плохим ионным проводником, и поэтому электрохимически активная реакция ограничивается границей тройной фазы (TPB), где встречаются электролит, воздух и электрод. LSM хорошо работает в качестве катода при высоких температурах, но его производительность быстро падает, когда рабочая температура опускается ниже 800 °C. Чтобы увеличить зону реакции за пределами TPB, потенциальный катодный материал должен быть способен проводить как электроны, так и ионы кислорода. Композитные катоды, состоящие из LSM YSZ, использовались для увеличения длины этой границы тройной фазы. Керамика со смешанной ионно-электронной проводимостью (MIEC), такая как перовскит LSCF , также исследуется для использования в среднетемпературных SOFC, поскольку она более активна и может компенсировать увеличение энергии активации реакции. [28]

Интерконнект

Межсоединение может быть металлическим или керамическим слоем, который находится между каждой отдельной ячейкой. Его цель — соединить каждую ячейку последовательно, чтобы электричество, вырабатываемое каждой ячейкой, можно было объединить. Поскольку межсоединение подвергается воздействию как окислительной, так и восстановительной стороны ячейки при высоких температурах, оно должно быть чрезвычайно стабильным. По этой причине керамика оказалась более успешной в долгосрочной перспективе, чем металлы, в качестве межсоединительных материалов. Однако эти керамические межсоединительные материалы очень дороги по сравнению с металлами. Сплавы на основе никеля и стали становятся все более перспективными по мере разработки низкотемпературных (600–800 °C) SOFC. Материалом выбора для межсоединения, контактирующего с Y8SZ, является металлический сплав 95Cr-5Fe. Также рассматриваются металлокерамические композиты, называемые «кермет», поскольку они продемонстрировали термическую стабильность при высоких температурах и отличную электропроводность.

Поляризации

Поляризации, или перенапряжения, представляют собой потери напряжения из-за несовершенств материалов, микроструктуры и конструкции топливного элемента. Поляризации возникают из-за омического сопротивления ионов кислорода, проводящих через электролит (iRΩ), электрохимических активационных барьеров на аноде и катоде и, наконец, концентрационных поляризаций из-за неспособности газов диффундировать с высокой скоростью через пористый анод и катод (показано как ηA для анода и ηC для катода). [29] Напряжение элемента можно рассчитать с помощью следующего уравнения:

В = Э 0 − я Р ω − η с а т час о г е − η а н о г е {\displaystyle {V}={E}_{0}-{iR}_{\omega }-{\eta }_{катод}-{\eta }_{анод}}

где:

  • Э 0 {\displaystyle {E}_{0}} = Нернстовский потенциал реагентов
  • Р {\displaystyle R} = эквивалентное значение сопротивления Тевенина электропроводящих частей ячейки
  • η с а т час о г е {\displaystyle {\eta }_{катод}} = потери на поляризацию в катоде
  • η а н о г е {\displaystyle {\eta }_{анод}} = потери поляризации в аноде

В SOFC часто важно сосредоточиться на омической и концентрационной поляризациях, поскольку высокие рабочие температуры испытывают небольшую активационную поляризацию. Однако, по мере приближения к нижнему пределу рабочей температуры SOFC (~600 °C), эти поляризации становятся важными. [30]

Вышеупомянутое уравнение используется для определения напряжения SOFC (фактически для напряжения топливного элемента в целом). Этот подход приводит к хорошему согласию с конкретными экспериментальными данными (для которых были получены адекватные факторы) и плохому согласию для других, чем исходные экспериментальные рабочие параметры. Более того, большинство используемых уравнений требуют добавления многочисленных факторов, которые трудно или невозможно определить. Это сильно затрудняет любой процесс оптимизации рабочих параметров SOFC, а также выбор конфигурации архитектуры конструкции. Из-за этих обстоятельств было предложено несколько других уравнений: [31]

Э С О Ф С = Э м а х − я м а х ⋅ η ф ⋅ г 1 г 1 г 2 ⋅ ( 1 − η ф ) + 1 {\displaystyle E_{SOFC}={\frac {E_{max}-i_{max}\cdot \eta _{f}\cdot r_{1}}{{\frac {r_{1}}{r_{2}}}\cdot \left(1-\eta _{f}\right)+1}}}

где:

  • Э С О Ф С {\displaystyle E_{SOFC}} = напряжение ячейки
  • Э м а х {\displaystyle E_{max}} = максимальное напряжение, определяемое уравнением Нернста
  • i m a x {\displaystyle i_{max}} = максимальная плотность тока (для заданного расхода топлива)
  • η f {\displaystyle \eta _{f}} = коэффициент использования топлива [31] [32]
  • r 1 {\displaystyle r_{1}} = ионное удельное сопротивление электролита
  • r 2 {\displaystyle r_{2}} = удельное электрическое сопротивление электролита.

Этот метод был проверен и признан подходящим для исследований оптимизации и чувствительности при моделировании на уровне завода различных систем с твердооксидными топливными элементами. [33] С помощью этого математического описания можно учесть различные свойства SOFC. Существует множество параметров, которые влияют на рабочие условия элемента, например, материал электролита, толщина электролита, температура элемента, составы газа на входе и выходе на аноде и катоде, а также пористость электрода, и это лишь некоторые из них. Поток в этих системах часто рассчитывается с использованием уравнений Навье-Стокса .

Омическая поляризация

Омические потери в SOFC возникают из-за ионной проводимости через электролит и электрического сопротивления, оказываемого потоку электронов во внешней электрической цепи. Это неотъемлемое свойство материалов кристаллической структуры и вовлеченных атомов. Однако для максимизации ионной проводимости можно использовать несколько методов. Во-первых, работа при более высоких температурах может значительно снизить эти омические потери. Методы замещающего легирования для дальнейшего улучшения кристаллической структуры и контроля концентрации дефектов также могут играть значительную роль в повышении проводимости. Другой способ снижения омического сопротивления — уменьшение толщины слоя электролита.

Ионная проводимость

Удельное ионное сопротивление электролита в зависимости от температуры можно описать следующим соотношением: [31]

r 1 = δ σ {\displaystyle r_{1}={\frac {\delta }{\sigma }}}

где: – толщина электролита, – ионная проводимость. δ {\displaystyle \delta } σ {\displaystyle \sigma }

Ионная проводимость твердого оксида определяется следующим образом: [31]

σ = σ 0 ⋅ e − E R ⋅ T {\displaystyle \sigma =\sigma _{0}\cdot e^{\frac {-E}{R\cdot T}}}

где: и – факторы, зависящие от материалов электролита, – температура электролита, и – постоянная идеального газа. σ 0 {\displaystyle \sigma _{0}} E {\displaystyle E} T {\displaystyle T} R {\displaystyle R}

Концентрационная поляризация

Концентрационная поляризация является результатом практических ограничений массопереноса внутри ячейки и представляет собой потерю напряжения из-за пространственных изменений концентрации реагентов в химически активных центрах. Эта ситуация может быть вызвана тем, что реагенты расходуются электрохимической реакцией быстрее, чем они могут диффундировать в пористый электрод, а также может быть вызвана изменением состава объемного потока. Последнее связано с тем, что потребление реагирующих частиц в потоках реагентов вызывает падение концентрации реагентов по мере их перемещения вдоль ячейки, что вызывает падение локального потенциала вблизи хвостовой части ячейки.

Концентрационная поляризация происходит как в аноде, так и в катоде. Анод может быть особенно проблематичным, так как окисление водорода производит пар, который еще больше разбавляет поток топлива по мере его перемещения по длине ячейки. Эту поляризацию можно смягчить, уменьшив долю использования реагента или увеличив пористость электрода, но каждый из этих подходов имеет значительные конструктивные компромиссы.

Активационная поляризация

Активационная поляризация является результатом кинетики, связанной с электрохимическими реакциями. Каждая реакция имеет определенный активационный барьер, который необходимо преодолеть для продолжения, и этот барьер приводит к поляризации. Активационный барьер является результатом многих сложных стадий электрохимической реакции, где обычно стадия ограничения скорости отвечает за поляризацию. Уравнение поляризации, показанное ниже, находится путем решения уравнения Батлера-Фольмера в режиме высокой плотности тока (где обычно работает ячейка), и может быть использовано для оценки активационной поляризации:

η a c t = R T β z F × l n ( i i 0 ) {\displaystyle {\eta }_{act}={\frac {RT}{{\beta }zF}}\times ln\left({\frac {i}{{i}_{0}}}\right)}

где:

  • R {\displaystyle R} = газовая постоянная
  • T 0 {\displaystyle {T}_{0}} = рабочая температура
  • β {\displaystyle {\beta }} = коэффициент переноса электронов
  • z {\displaystyle z} = электроны, связанные с электрохимической реакцией
  • F {\displaystyle F} = постоянная Фарадея
  • i {\displaystyle i} = рабочий ток
  • i 0 {\displaystyle i_{0}} = плотность тока обмена

Поляризацию можно изменить путем микроструктурной оптимизации. Длина границы тройной фазы (TPB), которая является длиной, где встречаются пористые, ионные и электронно-проводящие пути, напрямую связана с электрохимически активной длиной в ячейке. Чем больше длина, тем больше реакций может произойти и, следовательно, тем меньше активационная поляризация. Оптимизация длины TPB может быть выполнена путем обработки условий для воздействия на микроструктуру или путем выбора материалов для использования смешанного ионно-электронного проводника для дальнейшего увеличения длины TPB.

Механические свойства

Текущие исследования SOFC в значительной степени сосредоточены на оптимизации производительности ячейки при сохранении приемлемых механических свойств, поскольку оптимизированная производительность часто ставит под угрозу механические свойства. Тем не менее, механический отказ представляет собой значительную проблему для работы SOFC. Наличие различных видов нагрузки и термического напряжения во время работы требует высокой механической прочности. Дополнительные напряжения, связанные с изменениями в газовой атмосфере, приводящие к восстановлению или окислению, также не могут быть предотвращены при длительной работе. [34] Когда слои электродов расслаиваются или трескаются, пути проводимости теряются, что приводит к перераспределению плотности тока и локальным изменениям температуры. Эти локальные отклонения температуры, в свою очередь, приводят к увеличению термических напряжений, которые распространяют трещины и расслоение . Кроме того, когда электролиты трескаются, разделение топлива и воздуха больше не гарантируется, что еще больше ставит под угрозу непрерывную работу ячейки. [35]

Поскольку для SOFC требуются материалы с высокой кислородной проводимостью, термические напряжения представляют собой существенную проблему. Коэффициент термического расширения в смешанных ионно-электронных перовскитах может быть напрямую связан с концентрацией кислородных вакансий, которая также связана с ионной проводимостью. [36] Таким образом, термические напряжения увеличиваются в прямой корреляции с улучшением производительности ячейки. Кроме того, однако, температурная зависимость концентрации кислородных вакансий означает, что CTE не является линейным свойством, что еще больше усложняет измерения и прогнозы.

Так же, как термические напряжения увеличиваются по мере улучшения производительности ячейки за счет улучшения ионной проводимости, вязкость разрушения материала также уменьшается по мере увеличения производительности ячейки. Это происходит потому, что для увеличения мест реакции предпочтительнее использовать пористую керамику. Однако, как показано в уравнении ниже, вязкость разрушения уменьшается по мере увеличения пористости. [37]

K I C = K I C , 0 exp ⁡ ( − b k p ′ ) {\displaystyle K_{IC}=K_{IC,0}\exp {(-b_{k}p')}}

Где:

K I C {\displaystyle K_{IC}} = вязкость разрушения

K I C , 0 {\displaystyle K_{IC,0}} = вязкость разрушения непористой структуры

b k {\displaystyle b_{k}} = экспериментально определенная константа

p ′ {\displaystyle p'} = пористость

Таким образом, пористость должна быть тщательно спроектирована, чтобы максимизировать кинетику реакции, сохраняя при этом приемлемую вязкость разрушения. Поскольку вязкость разрушения представляет собой способность уже существующих трещин или пор распространяться, потенциально более полезной метрикой является напряжение разрушения материала, поскольку оно зависит от размеров образца, а не от диаметра трещины. Напряжение разрушения в SOFC также можно оценить с помощью двухосного испытания на напряжение «кольцо на кольце». Этот тип испытания, как правило, предпочтителен, поскольку качество кромки образца не оказывает существенного влияния на измерения. Определение напряжения разрушения образца показано в уравнении ниже. [38]

σ c r = 3 F c r 2 π h s 2 + ( ( 1 − ν ) D s u p 2 − D l o a d 2 2 D s 2 + ( 1 + ν ) ln ⁡ ( D s u p D l o a d ) ) {\displaystyle \sigma _{cr}={\frac {3F_{cr}}{2\pi h_{s}^{2}}}+{\Biggl (}(1-\nu ){\frac {D_{sup}^{2}-D_{load}^{2}}{2D_{s}^{2}}}+(1+\nu )\ln \left({\frac {D_{sup}}{D_{load}}}\right){\Biggr )}}

Где:

σ c r {\displaystyle \sigma _{cr}} = разрушающее напряжение малой деформации

F c r {\displaystyle F_{cr}} = критическая приложенная сила

h s {\displaystyle h_{s}} = высота образца

ν {\displaystyle \nu } = Коэффициент Пуассона

D {\displaystyle D} = диаметр (sup = опорное кольцо, load = нагрузочное кольцо, s = образец)

Однако это уравнение недействительно для прогибов, превышающих 1/2h, [39] что делает его менее применимым для тонких образцов, которые представляют большой интерес для SOFC. Поэтому, хотя этот метод не требует знания размера трещин или пор, его следует использовать с большой осторожностью и он больше применим к опорным слоям в SOFC, чем к активным слоям. В дополнение к напряжениям разрушения и вязкости разрушения, современные конструкции топливных элементов, которые предпочитают смешанные ионно-электронные проводники (MIEC), ползучесть (деформация) представляет собой еще одну большую проблему, поскольку электроды MIEC часто работают при температурах, превышающих половину температуры плавления. В результате необходимо также учитывать диффузионную ползучесть. [40]

ϵ ˙ e q c r e e p = k ~ 0 D T σ e q m d g r a i n n {\displaystyle {\dot {\epsilon }}_{eq}^{creep}={\frac {{\tilde {k}}_{0}D}{T}}{\frac {\sigma _{eq}^{m}}{d_{grain}^{n}}}}

Где:

ϵ ˙ e q c r e e p {\displaystyle {\dot {\epsilon }}_{eq}^{creep}} = эквивалентная деформация ползучести

D {\displaystyle D} = Коэффициент диффузии

T {\displaystyle T} = температура

k ~ 0 {\displaystyle {\tilde {k}}_{0}} = кинетическая константа

σ e q {\displaystyle \sigma _{eq}} = эквивалентное напряжение (например, по Мизесу)

m {\displaystyle m} = экспоненциальный фактор напряжения ползучести

n {\displaystyle n} = показатель размера частиц (2 для ползучести Набарро–Херринга , 3 для ползучести Кобла )

Для правильного моделирования скоростей деформации ползучести знание микроструктуры имеет большое значение. Из-за сложности механических испытаний SOFC при высоких температурах и из-за микроструктурной эволюции SOFC в течение срока эксплуатации в результате роста и огрубления зерна, фактическое поведение ползучести SOFC в настоящее время не полностью изучено.

Цель

Целевые требования DOE составляют 40 000 часов работы для стационарных топливных элементов и более 5 000 часов для транспортных систем ( транспортные средства на топливных элементах ) при заводской стоимости 40 долл./кВт для 10 кВт угольной системы [41] без дополнительных требований. Необходимо учитывать эффекты срока службы (фазовая стабильность, совместимость с тепловым расширением, миграция элементов, проводимость и старение). Цель Solid State Energy Conversion Alliance 2008 (промежуточная) для общей деградации за 1000 часов составляет 4,0%. [42]

Исследовать

Исследования сейчас ведутся в направлении низкотемпературных SOFC (600 °C). Низкотемпературные системы могут снизить затраты за счет снижения затрат на изоляцию, материалы, запуск и деградацию. При более высоких рабочих температурах градиент температуры увеличивает интенсивность термических напряжений, что влияет на стоимость материалов и срок службы системы. [43] Промежуточная температурная система (650-800 °C) позволит использовать более дешевые металлические материалы с лучшими механическими свойствами и теплопроводностью . Было показано, что новые разработки в наномасштабных электролитных структурах снижают рабочие температуры примерно до 350 °C, что позволит использовать еще более дешевые стальные и эластомерные / полимерные компоненты. [44]

Снижение рабочих температур имеет дополнительное преимущество в виде повышения эффективности. Теоретическая эффективность топливных элементов увеличивается с понижением температуры. Например, эффективность SOFC, использующего CO в качестве топлива, увеличивается с 63% до 81% при снижении температуры системы с 900 °C до 350 °C. [44]

Также ведутся исследования по улучшению топливной гибкости SOFC. Хотя стабильная работа была достигнута на различных углеводородных топливах, эти ячейки обычно полагаются на внешнюю обработку топлива. В случае природного газа топливо либо внешне, либо внутренне реформируется, а соединения серы удаляются. Эти процессы увеличивают стоимость и сложность систем SOFC. В ряде учреждений ведутся работы по улучшению стабильности анодных материалов для окисления углеводородов и, следовательно, смягчению требований к обработке топлива и снижению баланса затрат на завод SOFC.

Также ведутся исследования по сокращению времени запуска, чтобы иметь возможность внедрять SOFC в мобильные приложения. [45] Это может быть частично достигнуто за счет снижения рабочих температур, что имеет место в случае топливных элементов с протонообменной мембраной (PEMFC). [46] Благодаря своей топливной гибкости они могут работать на частично реформированном дизельном топливе , и это делает SOFC интересными в качестве вспомогательных силовых установок (APU) в рефрижераторах.

В частности, Delphi Automotive Systems разрабатывает SOFC, который будет питать вспомогательные агрегаты в автомобилях и тягачах, в то время как BMW недавно остановила аналогичный проект. Высокотемпературный SOFC будет генерировать всю необходимую электроэнергию, чтобы двигатель был меньше и эффективнее. SOFC будет работать на том же бензине или дизельном топливе, что и двигатель, и будет поддерживать кондиционер и другие необходимые электрические системы в рабочем состоянии, пока двигатель выключается, когда он не нужен (например, на светофоре или стоянке грузовика). [47]

Rolls-Royce разрабатывает твердооксидные топливные элементы, производимые методом трафаретной печати на недорогих керамических материалах. [48] Rolls-Royce Fuel Cell Systems Ltd разрабатывает гибридную газотурбинную систему SOFC, работающую на природном газе, для приложений по производству электроэнергии порядка мегаватта (например, Futuregen ). [ требуется ссылка ]

3D-печать изучается как возможная технология производства, которая может быть использована для упрощения производства SOFC в лаборатории Shah Lab в Северо-Западном университете. Эта технология производства позволит сделать структуру ячейки SOFC более гибкой, что может привести к более эффективным конструкциям. Этот процесс может работать при производстве любой части ячейки. Процесс 3D-печати работает путем объединения около 80% керамических частиц с 20% связующих веществ и растворителей, а затем преобразования этой суспензии в чернила, которые можно подавать в 3D-принтер. Часть растворителя очень летучая, поэтому керамические чернила затвердевают почти сразу. Не весь растворитель испаряется, поэтому чернила сохраняют некоторую гибкость до того, как их обжигают при высокой температуре для уплотнения. Эта гибкость позволяет обжигать ячейки в круглой форме, что увеличит площадь поверхности, на которой могут происходить электрохимические реакции, что повышает эффективность ячейки. Кроме того, технология 3D-печати позволяет печатать слои ячеек друг на друге вместо того, чтобы проходить отдельные этапы производства и укладки. Толщину легко контролировать, и слои можно изготавливать точно такого размера и формы, которые необходимы, поэтому отходы сводятся к минимуму. [49]

Компания Ceres Power Ltd. разработала недорогую и низкотемпературную (500–600 градусов) батарею SOFC, в которой используется оксид церия-гадолиния (CGO) вместо стандартной в отрасли керамики, стабилизированного оксидом иттрия циркония ( YSZ ), что позволяет использовать нержавеющую сталь для поддержки керамики. [50]

Компания Solid Cell Inc. разработала уникальную, недорогую архитектуру ячейки, которая сочетает в себе свойства планарной и трубчатой ​​конструкции, а также бесхромовое металлокерамическое соединение. [ необходима ссылка ]

Центр высокотемпературной электрохимии (HITEC) при Университете Флориды в Гейнсвилле занимается изучением ионного транспорта, электрокаталитических явлений и микроструктурной характеристикой ионнопроводящих материалов. [51]

Компания SiEnergy Systems, дочерняя компания Гарварда, продемонстрировала первый макромасштабный тонкопленочный твердооксидный топливный элемент, который может работать при температуре 500 градусов. [52]

СОЭК

Твердооксидный электролизер ( SOEC ) представляет собой твердооксидный топливный элемент, установленный в регенеративном режиме для электролиза воды с твердым оксидным или керамическим электролитом для получения кислорода и водорода . [53]

SOEC также можно использовать для электролиза CO2 с целью получения CO2 и кислорода [54] или даже для совместного электролиза воды и CO2 с целью получения синтез-газа и кислорода.

ITSOFC

SOFC, работающие в диапазоне промежуточных температур (IT), то есть между 600 и 800 °C, называются ITSOFC. Из-за высоких скоростей деградации и затрат на материалы, возникающих при температурах свыше 900 °C, экономически выгоднее эксплуатировать SOFC при более низких температурах. В настоящее время стремление к высокопроизводительным ITSOFC является темой многих исследований и разработок. Одной из областей, в которых уделяется внимание, является материал катода. Считается, что реакция восстановления кислорода ответственна за большую часть потери производительности, поэтому каталитическая активность катода изучается и улучшается с помощью различных методов, включая пропитку катализатора. Исследования NdCrO 3 доказывают, что он является потенциальным материалом катода для катода ITSOFC, поскольку он термохимически стабилен в пределах диапазона температур. [55]

Еще одной областью внимания являются электролитные материалы. Чтобы сделать SOFC конкурентоспособными на рынке, ITSOFC стремятся к более низкой рабочей температуре за счет использования альтернативных новых материалов. Однако эффективность и стабильность материалов ограничивают их осуществимость. Одним из вариантов новых электролитных материалов являются керамические композиты на основе церия и соли (CSC). Двухфазные электролиты CSC GDC (церий, легированный гадолинием) и SDC (церий, легированный самарием)-MCO 3 (M = Li, Na, K, один или смесь карбонатов) могут достигать плотности мощности 300-800 мВт*см −2 . [56]

LT-SOFC

Низкотемпературные твердооксидные топливные элементы (LT-SOFC), работающие при температуре ниже 650 °C, представляют большой интерес для будущих исследований, поскольку высокая рабочая температура в настоящее время является тем, что ограничивает разработку и внедрение SOFC. Низкотемпературный SOFC более надежен из-за меньшего теплового несоответствия и более легкой герметизации. Кроме того, более низкая температура требует меньшей изоляции и, следовательно, имеет более низкую стоимость. Стоимость дополнительно снижается из-за более широкого выбора материалов для межсоединений и компрессионных нестеклянных/керамических уплотнений. Возможно, самое главное, что при более низкой температуре SOFC можно запускать быстрее и с меньшими затратами энергии, что позволяет использовать их в портативных и транспортабельных приложениях. [ необходима цитата ]

При понижении температуры максимальная теоретическая эффективность топливного элемента увеличивается, в отличие от цикла Карно. Например, максимальная теоретическая эффективность SOFC, использующего CO в качестве топлива, увеличивается с 63% при 900 °C до 81% при 350 °C. [57]

Это проблема материалов, особенно для электролита в SOFC. YSZ является наиболее часто используемым электролитом из-за его превосходной стабильности, несмотря на то, что он не имеет самой высокой проводимости. В настоящее время толщина электролитов YSZ составляет минимум ~10 мкм из-за методов осаждения, и это требует температуры выше 700 °C. Поэтому низкотемпературные SOFC возможны только с электролитами с более высокой проводимостью. Различные альтернативы, которые могут быть успешными при низкой температуре, включают церий, легированный гадолинием (GDC) и висмут, стабилизированный катионом эрбия (ERB). Они имеют превосходную ионную проводимость при более низких температурах, но это достигается за счет более низкой термодинамической стабильности. Электролиты CeO2 становятся электронно-проводящими, а электролиты Bi2O3 разлагаются до металлического Bi в восстановительной топливной среде. [58]

Чтобы бороться с этим, исследователи создали функционально градуированный двухслойный электролит церия/оксида висмута, в котором слой GDC на анодной стороне защищает слой ESB от разложения, в то время как ESB на катодной стороне блокирует ток утечки через слой GDC. Это приводит к почти теоретическому потенциалу разомкнутой цепи (OPC) с двумя высокопроводящими электролитами, которые сами по себе не были бы достаточно стабильны для применения. Этот двухслойный электролит оказался стабильным в течение 1400 часов испытаний при 500 °C и не показал никаких признаков образования межфазной фазы или теплового несоответствия. Хотя это делает шаги к снижению рабочей температуры SOFC, это также открывает двери для будущих исследований, чтобы попытаться понять этот механизм. [59]

Сравнение ионной проводимости различных твердооксидных электролитов

Исследователи из Технологического института Джорджии по-другому справились с нестабильностью BaCeO 3. Они заменили желаемую долю Ce в BaCeO 3 на Zr, чтобы сформировать твердый раствор, который демонстрирует протонную проводимость, а также химическую и термическую стабильность в диапазоне условий, соответствующих работе топливных элементов. Новый конкретный состав, Ba(Zr0.1Ce0.7Y0.2)O3-δ (BZCY7), который демонстрирует самую высокую ионную проводимость из всех известных электролитных материалов для применения в SOFC. Этот электролит был изготовлен методом сухого прессования порошков, что позволило производить пленки без трещин толщиной менее 15 мкм. Внедрение этого простого и экономически эффективного метода изготовления может обеспечить значительное снижение затрат на изготовление SOFC. [60] Однако этот электролит работает при более высоких температурах, чем модель с двухслойным электролитом, ближе к 600 °C, а не к 500 °C.

В настоящее время, учитывая состояние дел в области LT-SOFC, прогресс в области электролита принесет наибольшую пользу, однако исследования потенциальных анодных и катодных материалов также приведут к полезным результатам и стали чаще обсуждаться в литературе.

SOFC-ГТ

Система SOFC-GT представляет собой систему, которая включает в себя твердооксидный топливный элемент в сочетании с газовой турбиной. Такие системы были оценены Siemens Westinghouse и Rolls-Royce как средство достижения более высокой эффективности работы за счет работы SOFC под давлением. Системы SOFC-GT обычно включают анодную и/или катодную рециркуляцию атмосферы, тем самым повышая эффективность . [ необходима цитата ]

Теоретически, сочетание SOFC и газовой турбины может дать в результате высокую общую (электрическую и тепловую) эффективность. [61] Дальнейшее сочетание SOFC-GT в комбинированной конфигурации охлаждения, тепла и электроэнергии (или тригенерации ) (через HVAC ) также имеет потенциал для получения еще более высокой тепловой эффективности в некоторых случаях. [62]

Еще одной особенностью представленной гибридной системы является достижение 100% улавливания CO2 при сопоставимой высокой энергоэффективности . Такие особенности, как нулевой выброс CO2 и высокая энергоэффективность, делают производительность электростанции заслуживающей внимания. [63]

ДКФК

Для прямого использования твердого угольного топлива без дополнительных процессов газификации и реформинга был разработан прямой углеродный топливный элемент (DCFC) как многообещающая новая концепция высокотемпературной системы преобразования энергии. Основной прогресс в разработке DCFC на основе угля был классифицирован в основном в соответствии с используемыми электролитными материалами, такими как твердый оксид, расплавленный карбонат и расплавленный гидроксид, а также гибридные системы, состоящие из твердого оксида и расплавленного карбонатного бинарного электролита или твердооксидного электролита из жидкого анода (Fe, Ag, In, Sn, Sb, Pb, Bi и его легирование и его металл/оксид металла). [64] Исследования людей по DCFC с GDC-Li/Na 2 CO 3 в качестве электролита, Sm 0,5 Sr 0,5 CoO 3 в качестве катода показывают хорошую производительность. Наибольшая плотность мощности 48 мВт*см −2 может быть достигнута при 500 °C с O2 и CO2 в качестве окислителей, а вся система стабильна в диапазоне температур от 500 °C до 600 °C. [65]

ТОТЭ работает на свалочном газе

Каждое домохозяйство производит отходы/мусор ежедневно. В 2009 году американцы произвели около 243 миллионов тонн твердых бытовых отходов, что составляет 4,3 фунта отходов на человека в день. Все эти отходы отправляются на свалки. Свалочный газ, который производится при разложении отходов, накапливаемых на свалках, имеет потенциал стать ценным источником энергии, поскольку метан является его основным компонентом. В настоящее время большинство свалок либо сжигают свой газ в факелах, либо сжигают его в механических двигателях для производства электроэнергии. Проблема механических двигателей заключается в том, что неполное сгорание газов может привести к загрязнению атмосферы, а также является крайне неэффективным. [ необходима цитата ]

Проблема с использованием свалочного газа в качестве топлива для системы SOFC заключается в том, что свалочный газ содержит сероводород. Любая свалка, принимающая биологические отходы, будет содержать около 50-60 ppm сероводорода и около 1-2 ppm меркаптанов. Однако строительные материалы, содержащие восстанавливаемые виды серы, в основном сульфаты, обнаруженные в гипсовых стеновых плитах, могут вызывать значительно более высокие уровни сульфидов в сотни ppm. При рабочих температурах 750 °C концентрации сероводорода около 0,05 ppm начинают влиять на производительность SOFC. [ необходима цитата ]

Ni + H2S → NiS + H2

Приведенная выше реакция контролирует воздействие серы на анод.

Этого можно избежать, имея фоновый водород, расчет которого приведен ниже.

При 453 К константа равновесия равна 7,39 x 10−5

ΔG, рассчитанный при 453 К, составил 35,833 кДж/моль.

Используя стандартную теплоту образования и энтропию ΔG при комнатной температуре (298 К) получилось 45,904 кДж/моль.

При экстраполяции до 1023 К ΔG составляет -1,229 кДж/моль.

При замещении K eq при 1023 K составляет 1,44 x 10 −4 . Следовательно, теоретически нам нужно 3,4% водорода, чтобы предотвратить образование NiS при 5 ppm H 2 S. [66]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Badwal, SPS. "Обзор прогресса в области высокотемпературных твердооксидных топливных элементов". Журнал Австралийского керамического общества . 50 (1). Архивировано из оригинала 29 ноября 2014 г.
  2. ^ ab Singh, Mandeep; Zappa, Dario; Comini, Elisabetta (август 2021 г.). «Твердооксидный топливный элемент: десятилетие прогресса, будущие перспективы и проблемы». International Journal of Hydrogen Energy . 46 (54): 27643– 27674. Bibcode : 2021IJHE...4627643S. doi : 10.1016/j.ijhydene.2021.06.020. S2CID  237909427.
  3. ^ abcd Болдрин, Пол; Брэндон, Найджел П. (11 июля 2019 г.). «Прогресс и перспективы твердооксидных топливных элементов для транспортных приложений». Nature Catalysis . 2 (7): 571– 577. doi :10.1038/s41929-019-0310-y. hdl : 10044/1/73325 . S2CID  199179410.
  4. ^ Гао, Ян; Чжан, Минмин; Фу, Мин; Ху, Вэньцзин; Тонг, Хуа; Тао, Цзэтянь (сентябрь 2023 г.). «Комплексный обзор последних достижений в области катодных материалов для протонпроводящих ТОТЭ». Energy Reviews . 2 (3): 100038. Bibcode :2023EnRev...200038G. doi : 10.1016/j.enrev.2023.100038 . S2CID  259652830.
  5. ^ Vignesh, D.; Rout, Ela (2 марта 2023 г.). «Технологические проблемы и прогресс в области протонных проводников: обзор». Energy & Fuels . 37 (5): 3428– 3469. doi : 10.1021/acs.energyfuels.2c03926 . S2CID  256964689.
  6. ^ Ван, Ци; Фань, Хуэй; Сяо, Яньфэй; Чжан, Ихэ (ноябрь 2022 г.). «Применение и последние достижения редкоземельных элементов в твердооксидных топливных элементах». Журнал редких земель . 40 (11): 1668– 1681. Bibcode : 2022JREar..40.1668W. doi : 10.1016/j.jre.2021.09.003. S2CID  240563264.
  7. ^ Хаген, Анке; Расмуссен, Йенс ФБ; Тиден, Карл (сентябрь 2011 г.). «Долговечность твердооксидных топливных элементов с использованием серосодержащих топлив». Журнал источников питания . 196 (17): 7271– 7276. Bibcode : 2011JPS...196.7271H. doi : 10.1016/j.jpowsour.2011.02.053.
  8. ^ Ким, Джун Хёк; Лю, Минфэй; Чэнь, Ю; Мерфи, Райан; Чой, Юнмэн; Лю, Ин; Лю, Мейлинь (5 ноября 2021 г.). «Понимание влияния отравления серой на активность риформинга метана анода твердооксидного топливного элемента». ACS Catalysis . 11 (21): 13556– 13566. doi :10.1021/acscatal.1c02470.
  9. ^ Болдрин, Пол; Руис-Трехо, Энрике; Мермельштейн, Джошуа; Бермудес Менендес, Хосе Мигель; Рамирес Рейна, Томас; Брэндон, Найджел П. (23 ноября 2016 г.). «Стратегии создания твердых оксидных топливных элементов, устойчивых к углероду и сере, с учетом уроков гетерогенного катализа». Химические обзоры . 116 (22): 13633–13684 . doi : 10.1021/acs.chemrev.6b00284 . hdl : 10044/1/41491 . ПМИД  27933769.
  10. ^ Керамические топливные элементы достигают лучшей в мире эффективности в 60% для своих электрогенераторов Архивировано 3 июня 2014 г. на Wayback Machine . Ceramic Fuel Cells Limited. 19 февраля 2009 г.
  11. ^ ab Электричество из древесины посредством комбинации газификации и твердооксидных топливных элементов, докторская диссертация Флориана Нагеля, Швейцарский федеральный технологический институт Цюриха, 2008 г.
  12. ^ Раденахмад, Никдалила; Азад, Атия Тасфия; Сагир, Мухаммад; Тавикун, Джунтакан; Бакар, Мухаммад Сайфулла Абу; Реза, Мд Сумон; Азад, Абул Калам (март 2020 г.). «Обзор синтез-газа, полученного из биомассы, для комбинированного производства тепла и электроэнергии на основе ТОТЭ». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 119 : 109560. Bibcode : 2020RSERv.11909560R. doi : 10.1016/j.rser.2019.109560.
  13. ^ Сюй, Цидун; Го, Цзэнцзя; Ся, Линчао; Хэ, Цицзяо; Ли, Чжэн; Темитопе Белло, Идрис; Чжэн, Кэцин; Ни, Мэн (февраль 2022 г.). «Комплексный обзор твердооксидных топливных элементов, работающих на различных перспективных альтернативных видах топлива». Преобразование энергии и управление . 253 : 115175. Bibcode : 2022ECM...25315175X. doi : 10.1016/j.enconman.2021.115175. hdl : 10397/97578 .
  14. ^ Сэммс, Н. М.; и др. (2005). «Проектирование и изготовление микротрубчатого стека SOFC с анодной поддержкой мощностью 100 Вт». Журнал источников питания . 145 (2): 428– 434. Bibcode : 2005JPS...145..428S. doi : 10.1016/j.jpowsour.2005.01.079.
  15. ^ Panthi, D.; et al. (2014). "Микротрубчатый твердооксидный топливный элемент на основе пористого носителя из оксида циркония, стабилизированного иттрием". Scientific Reports . 4 : 5754. Bibcode : 2014NatSR...4.5754P. doi : 10.1038/srep05754. PMC 4148670. PMID  25169166. 
  16. ^ Отт, Дж.; Ган, И.; МакМикинг, Р.; Камлах, М. (2013). «Микромеханическая модель эффективной проводимости в гранулярных электродных структурах» (PDF) . Acta Mechanica Sinica . 29 (5): 682– 698. Bibcode : 2013AcMSn..29..682O. doi : 10.1007/s10409-013-0070-x. S2CID  51915676.
  17. ^ Пак, Чон Хва; Бэ, Кён Тхэк; Ким, Кён Джун; Джо, Дон У; Ким, Доёб; Мён, Джэ-ха; Ли, Кан Тхэк (2019). «Сверхбыстрое изготовление ленточных анодных опор для твердооксидных топливных элементов с помощью технологии резонансного акустического смешивания». Ceramics International . 45 (9). Elsevier BV: 12154– 12161. doi :10.1016/j.ceramint.2019.03.119.
  18. ^ Чжу, Тенглонг; Фаулер, Дэниел Э.; Поппельмейер, Кеннет Р .; Хан, Минфан; Барнетт, Скотт А. (2016). «Механизмы окисления водорода на анодах твердооксидных топливных элементов на основе перовскита». Журнал электрохимического общества . 163 (8): F952 – F961 . doi :10.1149/2.1321608jes.
  19. ^ Bao, Zhenghong; Yu, Fei (1 января 2018 г.), Li, Yebo; Ge, Xumeng (ред.), «Глава вторая — каталитическая конверсия биогаза в синтез-газ с помощью процесса сухого риформинга», Advances in Bioenergy , т. 3, Elsevier, стр.  43–76 , doi :10.1016/bs.aibe.2018.02.002 , получено 14 ноября 2020 г.
  20. ^ Роструп-Нильсен, Дж. Р. (1982). «Отравление серой». В Фигейредо, Хосе Луис (ред.). Прогресс в дезактивации катализаторов . Серия NATO Advanced Study Institutes. Дордрехт: Springer Netherlands. стр.  209–227 . doi :10.1007/978-94-009-7597-2_11. ISBN 978-94-009-7597-2.
  21. ^ Сасаки, К.; Сусуки, К. (2006). «Отравление твердооксидных топливных элементов сероводородом». Журнал Электрохимического общества . 153 (11): 11. Bibcode : 2006JElS..153A2023S. doi : 10.1149/1.2336075.
  22. ^ ab Ge, Xiao-Ming; Chan, Siew-Hwa; Liu, Qing-Lin; Sun, Qiang (2012). «Твердооксидные анодные материалы топливных элементов для прямого использования углеводородов». Advanced Energy Materials . 2 (10): 1156– 1181. Bibcode : 2012AdEnM...2.1156G. doi : 10.1002/aenm.201200342. ISSN  1614-6840. S2CID  95175720.
  23. ^ Коста-Нунес, Ольга; Горте, Рэймонд Дж.; Вос, Джон М. (1 марта 2005 г.). «Сравнение производительности Cu–CeO2–YSZ и Ni–YSZ композитных анодов SOFC с H2, CO и синтез-газом». Журнал источников питания . 141 (2): 241– 249. Bibcode : 2005JPS...141..241C. doi : 10.1016/j.jpowsour.2004.09.022. ISSN  0378-7753.
  24. ^ Найджел Сэммс; Алевтина Смирнова; Александр Васильев (2005). «Технологии топливных элементов: состояние и перспективы». Серия научных трудов НАТО, Математика, физика и химия . 202 : 19–34 . Bibcode : 2005fcts.conf.....S. doi : 10.1007/1-4020-3498-9_3.
  25. ^ Steele, BCH, Heinzel, A. (2001). «Материалы для технологий топливных элементов». Nature . 414 (15 ноября): 345–352 . Bibcode : 2001Natur.414..345S. doi : 10.1038/35104620. PMID  11713541. S2CID  4405856.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  26. ^ Мохан Менон; Кент Каммер; и др. (2007). «Обработка тонких пленок Ce1-xGdxO2-δ (GDC) из прекурсоров для применения в твердооксидных топливных элементах». Advanced Materials Engineering . 15–17 : 293–298 . doi :10.4028/www.scientific.net/AMR.15-17.293. S2CID  98044813.
  27. ^ Charpentier, P (2000). «Подготовка тонкопленочных SOFC, работающих при пониженной температуре». Solid State Ionics . 135 ( 1– 4): 373– 380. doi :10.1016/S0167-2738(00)00472-0. ISSN  0167-2738. S2CID  95598314.
  28. ^ Шен, Ф.; Лу, К. (август 2018 г.). «Сравнение различных перовскитных катодов в твердооксидных топливных элементах». Топливные элементы . 18 (4): 457– 465. doi :10.1002/fuce.201800044. ISSN  1615-6846. S2CID  104669264.
  29. ^ Симада, Хироюки; Сузуки, Тошио; Ямагучи, Тошиаки; Суми, Хирофуми; Хамамото, Коичи; Фудзисиро, Ёсинобу (январь 2016 г.). «Проблема снижения концентрационной поляризации в твердооксидных топливных элементах». Журнал источников энергии . 302 : 53–60 . Бибкод : 2016JPS...302...53S. дои : 10.1016/j.jpowsour.2015.10.024.
  30. ^ Хай-Бо Хуо; Синь-Цзянь Чжу; Гуан-И Цао (2006). «Нелинейное моделирование стека ТОТЭ на основе метода опорных векторов наименьших квадратов». Журнал источников питания . 162 (2): 1220– 1225. Bibcode : 2006JPS...162.1220H. doi : 10.1016/j.jpowsour.2006.07.031.
  31. ^ abcd Milewski J, Miller A (2006). «Влияние типа и толщины электролита на производительность гибридной системы твердооксидного топливного элемента». Журнал «Наука и технология топливных элементов » . 3 (4): 396–402 . doi :10.1115/1.2349519.
  32. ^ M. Santarelli; P. Leone; M. Calì; G. Orsello (2007). «Экспериментальная оценка чувствительности к использованию топлива и управлению воздухом в системе SOFC мощностью 100 кВт». Journal of Power Sources . 171 (2): 155– 168. Bibcode : 2007JPS...171..155S. doi : 10.1016/j.jpowsour.2006.12.032.
  33. ^ Купецки Дж.; Милевски Дж.; Евульски Дж. (2013). «Исследование свойств материалов ТОТЭ для моделирования на уровне завода». Центральноевропейский журнал химии . 11 (5): 664– 671. doi : 10.2478/s11532-013-0211-x .
  34. ^ Махато, Н; Банерджи, А; Гупта, А; Омар, С; Балани, К (1 июля 2015 г.). «Прогресс в выборе материалов для технологии твердооксидных топливных элементов: обзор». Progress in Materials Science . 72 : 141– 337. doi :10.1016/j.pmatsci.2015.01.001.
  35. ^ Nakajo, Arata; Kuebler, Jakob; Faes, Antonin; Vogt, Ulrich; Schindler, Hansjürgen; Chiang, Lieh-Kwang; Modena, Stefano; Van Herle, Jan (25 января 2012 г.). «Компиляция механических свойств для структурного анализа твердооксидных топливных элементов. Часть I. Составные материалы анодных ячеек». Ceramics International . 38 : 3907– 3927. doi :10.1016/j.ceramint.2012.01.043.
  36. ^ Ульманн, Х.; Трофименко, Н.; Тиц, Ф.; Штёвер, Д.; Ахмад-Ханлоу, А. (1 декабря 2000 г.). «Корреляция между тепловым расширением и переносом оксидных ионов в оксидах смешанной проводимости типа перовскита для катодов ТОТЭ». Ионика твердого тела . 138 ( 1– 2): 79– 90. doi :10.1016/S0167-2738(00)00770-0.
  37. ^ Радович, М.; Лара-Курцио, Э. (декабрь 2004 г.). «Механические свойства литых никелевых анодных материалов для твердооксидных топливных элементов до и после восстановления в водороде». Acta Materialia . 52 (20): 5747– 5756. Bibcode : 2004AcMat..52.5747R. doi : 10.1016/j.actamat.2004.08.023.
  38. ^ ASTM. «Стандартный метод испытаний на монотонную равномерную двухосную прочность на изгиб усовершенствованной керамики при температуре окружающей среды, стандарт ASTM C1499-04».
  39. ^ Као, Роберт; Перроне, Николас; Каппс, Вебстер (1971). «Решение проблемы изгиба коаксиальной кольцевой стеклянной пластины с большим прогибом». Журнал Американского керамического общества . 54 (11): 566– 571. doi :10.1111/j.1151-2916.1971.tb12209.x. ISSN  0002-7820.
  40. ^ Nakajo, Arata; Kuebler, Jakob; Faes, Antonin; Vogt, Ulrich F.; Schindler, Hans Jürgen; Chiang, Lieh-Kwang; Modena, Stefano; Van herle, Jan; Hocker, Thomas (25 января 2012 г.). «Компиляция механических свойств для структурного анализа твердооксидных топливных элементов. Составные материалы анодных ячеек». Ceramics International . 38 (5): 3907– 3927. doi :10.1016/j.ceramint.2012.01.043.
  41. ^ Системы на основе угля SECA – LGFCS. www.osti.gov. Получено 19 февраля 2019 г.
  42. ^ Топливные элементы продолжают работать после 5000 часов. www.energy.gov (24 марта 2009 г.). Получено 27 ноября 2011 г. Архивировано 8 октября 2009 г. на Wayback Machine
  43. ^ Ishihara, Tatsumi (2009). Оксид перовскита для твердооксидных топливных элементов . Springer. стр. 19. ISBN 978-0-387-77708-5.
  44. ^ ab Wachsman, Eric; Lee, Kang (18 ноября 2011 г.). «Снижение температуры твердооксидных топливных элементов». Science . 334 (6058): 935– 9. Bibcode :2011Sci...334..935W. doi :10.1126/science.1204090. PMID  22096189. S2CID  206533328.
  45. ^ Spivey, B. (2012). «Динамическое моделирование, имитация и предиктивное управление MIMO трубчатого твердооксидного топливного элемента». Журнал управления процессами . 22 (8): 1502– 1520. doi :10.1016/j.jprocont.2012.01.015.
  46. ^ "Сравнение топливных элементов". Nedstack . Получено 6 ноября 2016 .
  47. ^ Ламп, П.; Тахтлер, Дж.; Финкенвирт, О.; Мукерджи, С.; Шаффер, С. (ноябрь 2003 г.). «Разработка вспомогательного силового агрегата с твердооксидными топливными элементами для автомобильных применений». Топливные элементы . 3 (3): 146– 152. doi :10.1002/fuce.200332107.
  48. ^ Гарднер, Ф.Дж.; Дэй, М.Дж.; Брэндон, Н.П.; Пэшли, М.Н.; Кэссиди, М. (март 2000 г.). «Развитие технологии SOFC в Rolls-Royce». Journal of Power Sources . 86 ( 1– 2): 122– 129. Bibcode : 2000JPS....86..122G. doi : 10.1016/S0378-7753(99)00428-0.
  49. ^ "Northwestern group invent inks to make SOFCs by 3D printing". Fuel Cells Bulletin . 2015 (1): 11. 2015. Bibcode :2015FCBu.2015Q..11.. doi :10.1016/S1464-2859(15)70024-6.
  50. ^ "The Ceres Cell". Сайт компании . Ceres Power. Архивировано из оригинала 13 декабря 2013 года . Получено 30 ноября 2009 года .
  51. ^ "HITEC". Hitec.mse.ufl.edu. Архивировано из оригинала 12 декабря 2013 года . Получено 8 декабря 2013 года .
  52. ^ Охлаждение твердооксидных топливных элементов. Technologyreview.com. 20 апреля 2011 г. Получено 27 ноября 2011 г.
  53. ^ Энн Хаух; Сорен Хойгаард Йенсен; Суне Далгаард Эббесен; Могенс Могенсен (2009). «Долговечность твердооксидных электролизеров для производства водорода» (PDF) . Отчеты Рисо . 1608 : 327–338 . Архивировано из оригинала (PDF) 11 июля 2009 г.
  54. ^ Райнер Кюнгас; Питер Бленноу; Томас Хейредал-Клаузен; Тобиас Холт; Йеппе Расс-Хансен; Сорен Примдал; Джон Бёгильд Хансен (2017). «eCOs — коммерческая система электролиза CO2, разработанная Haldor Topsoe». ЭКС Транс . 78 (1): 2879–2884 . Бибкод : 2017ECSTr..78a2879K. дои : 10.1149/07801.2879ecst.
  55. ^ Нитья, М. и М. Раджасекар. «Подготовка и характеристика катода NdCrO3 для применения в топливных элементах средней температуры». Международный журнал прикладной химии 13, № 4 (2017): 879-886.
  56. ^ Чжу, Бин (2003). «Функциональные композитные материалы на основе церия и соли для усовершенствованных применений ITSOFC». Журнал источников питания . 114 (1): 1– 9. Bibcode : 2003JPS...114....1Z. doi : 10.1016/s0378-7753(02)00592-x.
  57. ^ Чхве, Сихёк; Ю, Сёнён; Ким, Джиён; Пак, Сёнхё; Джун, Арым; Сэнгодан, Сивапракаш; Ким, Джунён; Шин, Джиён; Чон, Ху Ён; Чхве, ЁнМан; Ким, Гунтэ; Лю, Мейлинь (15 августа 2013 г.). "Высокоэффективные и надёжные катодные материалы для низкотемпературных твёрдооксидных топливных элементов: PrBa0.5Sr0.5Co2−xFexO5+δ". Scientific Reports . 3 (1): 2426. doi :10.1038/srep02426. ISSN  2045-2322. PMC 3744084 . PMID  23945630. 
  58. ^ Хибино, Такаши; Хашимото, Ацуко; Иноуэ, Такао; Токуно, Дзюнъити; Ёсида, Синъитиро; Сано, Мицуру (16 июня 2000 г.). "Твердооксидный топливный элемент с низкой рабочей температурой в смесях углеводорода и воздуха". Science . 288 (5473): 2031– 2033. doi :10.1126/science.288.5473.2031. ISSN  0036-8075. PMID  10856213.
  59. ^ Ваксман, Э.; Ли, Канг Т. (2011). «Снижение температуры твердооксидных топливных элементов». Science . 334 (6058): 935– 939. Bibcode :2011Sci...334..935W. doi :10.1126/science.1204090. PMID  22096189. S2CID  206533328.
  60. ^ Цзо, К.; Жа, С.; Лю, М.; Хатано, М.; Утияма, М. (18 декабря 2006 г.). «Ba(Zr 0,1 Ce 0,7 Y 0,2 )O 3–δ как электролит для низкотемпературных твердооксидных топливных элементов». Продвинутые материалы . 18 (24): 3318–3320 . doi :10.1002/adma.200601366. ISSN  0935-9648.
  61. ^ SH Chan; HK Ho; Y. Tian (2003). «Многоуровневое моделирование гибридной системы SOFC-газовая турбина». Международный журнал водородной энергетики . 28 (8): 889– 900. Bibcode : 2003IJHE...28..889C. doi : 10.1016/S0360-3199(02)00160-X.
  62. ^ LKC Tse; S. Wilkins; N. McGlashan; B. Urban; R. Martinez-Botas (2011). «Твердооксидный топливный элемент/газовая турбина тригенерационная система для морских применений». Журнал источников питания . 196 (6): 3149– 3162. Bibcode : 2011JPS...196.3149T. doi : 10.1016/j.jpowsour.2010.11.099.
  63. ^ Исфахани, СНР; Седагхат, Ахмад (15 июня 2016 г.). «Гибридная микрогазовая турбина и твердотельная топливная установка с производством водорода и улавливанием CO2». Международный журнал водородной энергетики . 41 (22): 9490– 9499. doi :10.1016/j.ijhydene.2016.04.065. S2CID  100859434.
  64. ^ Giddey, S; Badwal, SPS; Kulkarni, A; Munnings, C (2012). «Всесторонний обзор технологии прямого углеродного топливного элемента». Progress in Energy and Combustion Science . 38 (3): 360–399 . Bibcode : 2012PECS...38..360G. doi : 10.1016/j.pecs.2012.01.003.
  65. ^ Wu, Wei; Ding, Dong; Fan, Maohong; He, Ting (30 мая 2017 г.). «Высокопроизводительный низкотемпературный прямой углеродный топливный элемент». ECS Transactions . 78 (1): 2519– 2526. Bibcode :2017ECSTr..78a2519W. doi :10.1149/07801.2519ecst. ISSN  1938-6737. OSTI  1414432.
  66. ^ Хан, Фероз (1 января 2012 г.). Влияние сероводорода в свалочном газе на отравление анодов твердооксидных топливных элементов (диссертация). Государственный университет Янгстауна.
  • Страница Министерства энергетики США о ТОТЭ
  • Сайт Национальной лаборатории энергетических технологий о ТОТЭ Архивировано 15 апреля 2016 г. на Wayback Machine
  • Статья в энциклопедии YCES
  • Страница Иллинойсского технологического института о ТОТЭ. Архивировано 18 февраля 2008 г. на Wayback Machine.
  • Оценка твердооксидных топливных элементов в строительстве. Фаза 1: Моделирование и предварительный анализ
  • Обзор CSA SOFC Архивировано 5 ноября 2014 г. на Wayback Machine
  • Стеклокерамическая герметизация ТОТЭ
  • Огнеупорные Специализации Inc.
  • Materials & Systems Research, Inc. (MSRI) Архивировано 16 февраля 2007 г. на Wayback Machine
  • Стратегическая исследовательская сеть по твердооксидным топливным элементам Канады (SOFCC) Архивировано 30 апреля 2021 г. на Wayback Machine
  • Исследования динамики и управления SOFC
  • Альянс по преобразованию твердотельной энергии (SECA)
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Solid_oxide_fuel_cell&oldid=1263804940"