Тройная фазовая граница

Тройная фазовая граница ( TPB ) — это геометрический класс фазовой границы и место контакта между тремя различными фазами . Простым примером TPB является береговая линия , где встречаются земля, воздух и море, чтобы создать энергетическое место, управляемое солнечной, ветровой и волновой энергией, способное поддерживать высокий уровень биоразнообразия. Эта концепция особенно важна при описании электродов в топливных элементах и ​​батареях . Например, для топливных элементов три фазы — это ионный проводник ( электролит ), электронный проводник и виртуальная «пористая» фаза для транспортировки газообразных или жидких молекул топлива . Электрохимические реакции, которые топливные элементы используют для производства электроэнергии, происходят в присутствии этих трех фаз. Таким образом, тройные фазовые границы являются электрохимически активными участками внутри электродов.

Реакцию восстановления кислорода, происходящую на катоде твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ), можно записать следующим образом:

О
2(газ) + 4 e − (электрод) → 2 O2−
(электролит)

Различные механизмы доставляют эти реагенты в TPB для проведения этой реакции. [1] Кинетика этой реакции является одним из ограничивающих факторов производительности ячейки, поэтому увеличение плотности TPB увеличит скорость реакции и, таким образом, увеличит производительность ячейки. [2] Аналогично, плотность TPB также будет влиять на кинетику реакции окисления, которая происходит между ионами кислорода и топливом на анодной стороне ячейки. Транспортировка к каждому TPB и от него также будет влиять на кинетику, поэтому оптимизация путей доставки реагентов и продуктов в активную область также является важным соображением. Исследователи, работающие с топливными элементами, все чаще используют методы 3D-визуализации, такие как FIB-SEM и рентгеновская нанотомография, для измерения плотности TPB как способа характеристики активности ячейки. [3] [4] Недавно было показано, что методы обработки, такие как инфильтрация, существенно увеличивают плотность TPB, что приводит к более высокой эффективности и, потенциально, более коммерчески жизнеспособным SOFC. [5]

Единицы

В системах, состоящих только из трех фаз, границы тройной фазы представляют собой геометрически замкнутые линейные контуры, которые не пересекают другие TPB и как таковые не образуют сеть. Простейшая форма TPB легко визуализируется с помощью двух пересекающихся сфер произвольного размера разной фазы, подвешенных в свободном пространстве (см. рисунок 3 [6] ), что создает круговой TPB на пересечении сфер. Однако в электродах петли TPB обычно имеют очень сложные и стохастические формы в трех измерениях (3D). Таким образом, TPB имеют единицы длины. Для электродов нормализация длины TPB к плотности TPB обеспечивает важный параметр микроструктуры для описания электрода и, следовательно, производительности ячейки, которая не зависит от размеров электрода. Плотность TPB обычно является объемной плотностью и измеряется в единицах обратного квадрата длины, обычно мкм −2 (т. е. мкм /мкм3 ) из-за масштаба типичных микроструктурных характеристик электрода.

Активный ТПБ

Тройные границы фаз электрохимически активны только в том случае, если каждая «фаза» связана с источниками и пунктами назначения видов реакции для завершения электрохимической реакции. Активные TPB часто называют перколированными TPB. Например, в кермете анода Ni-YSZ SOFC TPB должен:

  • Иметь доступ к водороду из впускного отверстия анодного газа и иметь возможность выпускать пар в выпускное отверстие анодного газа через сеть поровой фазы.
  • Иметь доступ к ионам кислорода, транспортируемым из электролитной фазовой сети YSZ
  • Быть способным проводить электроны от TPB через электронно-проводящую никелевую сеть к анодному токосъемнику

Помимо увеличения плотности TPB, очевидно, выгодно увеличить отношение активной к общей плотности TPB для повышения производительности электрода/элемента.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Ферибах, Джозеф Д.; О'Хэйр, Райан (январь 2009 г.). «Тройные фазовые границы в твердооксидных катодах». SIAM Journal по прикладной математике . 70 (2): 510–530 . doi : 10.1137/080722667. ISSN  0036-1399. S2CID  17872247.
  2. ^ O'Hayre, Ryan; Prinz, Fritz B. (2004). "Трехфазная граница воздух/платина/нафион: характеристики, масштабирование и последствия для топливных элементов". Журнал электрохимического общества . 151 (5): A756. Bibcode : 2004JElS..151A.756O. doi : 10.1149/1.1701868.
  3. ^ Вивет, Н.; Чупин, С.; Эстрада, Э.; Ричард, А.; Боннами, С.; Роше, Д.; Брюнетон, Э. (декабрь 2011 г.). «Влияние содержания Ni в керметах SOFC Ni-YSZ: трехмерное исследование с помощью томографии FIB-SEM». Журнал источников энергии . 196 (23): 9989–9997 . Бибкод : 2011JPS...196.9989V. дои : 10.1016/j.jpowsour.2011.07.010.
  4. ^ Сонг, Боуэн; Руис-Трехо, Энрике; Бертей, Антонио; Брэндон, Найджел П. (январь 2018 г.). «Количественная оценка деградации анодов Ni-YSZ при окислительно-восстановительном циклировании». Журнал источников питания . 374 : 61–68 . Bibcode : 2018JPS...374...61S. doi : 10.1016/j.jpowsour.2017.11.024 . hdl : 10044/1/53328 .
  5. ^ Song, B.; Ruiz-Trejo, E.; Brandon, NP (август 2018 г.). «Повышенная механическая стабильность каркаса Ni-YSZ, продемонстрированная с помощью наноиндентирования и электрохимической импедансной спектроскопии». Journal of Power Sources . 395 : 205– 211. Bibcode :2018JPS...395..205S. doi : 10.1016/j.jpowsour.2018.05.075 . hdl : 10044/1/60309 .
  6. ^ Йоргенсен, PS; Хансен, KV; Ларсен, R.; Боуэн, JR (2010-12-15). «Высокоточная характеристика интерфейса трехфазных материальных систем в трех измерениях». Журнал источников питания . 195 (24): 8168– 8176. Bibcode : 2010JPS...195.8168J. doi : 10.1016/j.jpowsour.2010.06.083.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Triple_phase_boundary&oldid=1193568946"