Твердокислотный топливный элемент - Solid acid fuel cell

Твердокислотные топливные элементы (SAFC) - это класс топливные элементы характеризуется использованием твердая кислота материал в качестве электролита. Похожий на топливные элементы с протонообменной мембраной и твердооксидные топливные элементы, они извлекают электроэнергию из электрохимического преобразования водород- и кислородсодержащих газов, оставляя в качестве побочного продукта только воду. В современных системах SAFC используется газообразный водород, полученный из различных видов топлива, таких как промышленный пропан и дизельное топливо. Они работают при средних температурах от 200 до 300 ° C.[1][2]

Дизайн

Твердые кислоты - это химические промежуточные соединения между солями и кислотами, например CsHSO.4.[3] Твердые кислоты, представляющие интерес для применения в топливных элементах, - это кислоты, химический состав которых основан на оксианионных группах (SO42-, PO43−, SeO42−, AsO43−), связанных водородными связями и сбалансированных по заряду крупными частицами катионов (Cs+, Руб.+, NH4+, К+).[1]

При низких температурах твердые кислоты имеют упорядоченную молекулярную структуру, как и большинство солей. При более высоких температурах (от 140 до 150 градусов Цельсия для CsHSO4), некоторые твердые кислоты претерпевают фазовый переход и становятся сильно разупорядоченными «суперпротонными» структурами, что увеличивает проводимость на несколько порядков.[3] При использовании в топливных элементах такая высокая проводимость обеспечивает КПД до 50% на различных видах топлива.[4]

Первые проверенные концепции SAFC были разработаны в 2000 году с использованием гидросульфата цезия (CsHSO4).[1] Однако топливные элементы, в которых в качестве электролита используются кислые сульфаты, приводят к образованию побочных продуктов, которые серьезно портят анод топливного элемента, что приводит к снижению выходной мощности даже при небольшом использовании.[5]

Текущие системы SAFC используют дигидрофосфат цезия (CsH2PO4) и продемонстрировали время жизни в тысячи часов.[6] При суперпротонном фазовом переходе CsH2PO4 испытывает увеличение проводимости на четыре порядка.[7][8][9] В 2005 году было показано, что CsH2PO4 может стабильно претерпевать суперпротонный фазовый переход во влажной атмосфере при «промежуточной» температуре 250 ° C, что делает его идеальным твердым кислотным электролитом для использования в топливном элементе.[10] Влажная среда в топливном элементе необходима для предотвращения определенных твердых кислот (таких как CsH2PO4) от обезвоживания и диссоциации на соль и водяной пар.[11]

Электродные реакции

Основная статья: Топливная ячейка § Типы_топливных_ячейек. 3B_design

Газообразный водород направляется в анод, где он расщепляется на протоны и электроны. Протоны проходят через твердый кислотный электролит, чтобы достичь Катод, в то время как электроны движутся к катоду по внешней цепи, генерируя электричество. На катоде протоны и электроны рекомбинируют вместе с кислородом с образованием воды, которая затем удаляется из системы.

Анод: H2 → 2H+ + 2e−

Катод: ½O2 + 2H+ + 2e− → H2О

Общий: H2 + ½O2 → H2О

Работа SAFC при средних температурах позволяет им использовать материалы, которые в противном случае были бы повреждены при высоких температурах, такие как стандартные металлические компоненты и гибкие полимеры. Эти температуры также делают SAFC устойчивыми к примесям в их источнике водорода в качестве топлива, таким как монооксид углерода или компоненты серы. Например, в SAFC можно использовать газообразный водород, извлеченный из пропана, природного газа, дизельного топлива и других углеводородов.[12][13][14]

Изготовление и производство

Соссина Хайле разработали первые твердые кислотные топливные элементы в 1990-х годах.

В 2005 году SAFC были изготовлены с тонкими электролитными мембранами толщиной 25 микрометров, что привело к восьмикратному увеличению пиковой плотности мощности по сравнению с более ранними моделями. Тонкие электролитные мембраны необходимы для минимизации потерь напряжения из-за внутреннего сопротивления внутри мембраны.[15]

По данным Suryaprakash et al. 2014 г., идеальный анод твердого кислотного топливного элемента - это «наноструктура пористого электролита, равномерно покрытая тонкой пленкой платины». Эта группа использовала метод, называемый распылительной сушкой, для изготовления SAFC, осаждения CsH2PO4 наночастицы твердого кислотного электролита и создание пористых трехмерных взаимосвязанных наноструктур твердого кислотного электролитного материала топливного элемента CsH2PO4.[16]

Приложения

Из-за их умеренных температурных требований и совместимости с несколькими типами топлива SAFC могут использоваться в удаленных местах, где другие типы топливных элементов были бы непрактичными. В частности, системы SAFC для удаленных нефтегазовых приложений были развернуты для электрификации устьев скважин и отказа от использования пневматических компонентов, которые выбрасывают метан и другие сильные парниковые газы прямо в атмосферу.[4] Меньшая портативная система SAFC находится в разработке для военных приложений, которые будут работать на стандартном топливе для логистики, таком как судовое дизельное топливо и JP8.[17]

В 2014 году был разработан унитаз, который химически превращает отходы в воду и удобрения с использованием комбинации солнечной энергии и SAFC.[18]

Рекомендации

  1. ^ а б c Калум Р.И. Чизхолм, датчанин А. Бойсен, Алекс Б. Папандрю, Страхинья Зечевич, Сукьял Ча, Кенджи А. Сасаки, Арон Варга, Константинос П. Джапис, Соссина М. Хайле. «От лабораторного прорыва к технологической реализации: путь развития твердокислотных топливных элементов». Интерфейс электрохимического общества Том 18. № 3. (2009).
  2. ^ Папандрю, Александр Б .; Chisholm, Calum R.I .; Elgammal, Ramez A .; Özer, Mustafa M .; Зечевич, Страхиня К. (2011-04-12). «Современные электроды для твердокислотных топливных элементов путем осаждения платины на CsH2PO4» (PDF). Химия материалов. 23 (7): 1659–1667. Дои:10,1021 / см. ISSN  0897-4756.
  3. ^ а б Соссина М. Хейл, датчанин А. Бойсен, Калум Р. И. Чизхолм, Райан Б. Мерл. «Твердые кислоты как электролиты топливных элементов». Nature 410, 910-913 (19 апреля 2001 г.). DOI: 10,1038 / 35073536.
  4. ^ а б «SAFCell - Нефть и газ». http://www.safcell.com/oil-gas/
  5. ^ Райан Б. Мерл, Калум Р. И. Чизхолм, датчанин А. Бойсен, Соссина М. Хейле. «Нестабильность сульфатных и селенатных твердых кислот в средах топливных элементов». Энергетическое топливо, 2003, 17 (1), стр 210–215. DOI: 10.1021 / ef0201174
  6. ^ Соссина М. Хайле, Калум Р. И. Чизхолм, Кенджи Сасаки, датчанин А. Бойсен, Тэцуя Уда. «Твердые кислотные протонные проводники: от лабораторных диковинок до электролитов топливных элементов». Обсуждение Фарадея, 2007, 134, 17-39. DOI: 10.1039 / B604311A
  7. ^ Баранов, А. И .; Хизниченко, В.П .; Сандлер, В. А .; Шувалов, Л.А. (1988-05-01). «Частотная диэлектрическая дисперсия в сегнетоэлектрической и суперионной фазах CsH2PO4». Сегнетоэлектрики. 81 (1): 183–186. Дои:10.1080/00150198808008840. ISSN  0015-0193.
  8. ^ Баранов, А. И .; Хизниченко, В.П .; Шувалов, Л.А. (1989-12-01). «Высокотемпературные фазовые переходы и протонная проводимость в некоторых кристаллах семейства kdp». Сегнетоэлектрики. 100 (1): 135–141. Дои:10.1080/00150198908007907. ISSN  0015-0193.
  9. ^ Баранов, А. И .; Меринов, Б. В .; Трегубченко, А.В .; Хизниченко, В.П .; Шувалов, Л. А .; Щагина, Н. М. (1989-11-01). «Быстрый перенос протонов в кристаллах с динамически неупорядоченной сеткой водородных связей». Ионика твердого тела. 36 (3): 279–282. Дои:10.1016/0167-2738(89)90191-4.
  10. ^ Отомо, Дзюнъитиро; Тамаки, Таканори; Нисида, Сатору; Ван, Шуцян; Огура, Масару; Кобаяси, Такеши; Вэнь, Чинг-Джу; Нагамото, Хидетоши; Такахаши, Хироши (2005). «Влияние водяного пара на протонную проводимость дигидрофосфата цезия и применение в топливных элементах с промежуточной температурой». Журнал прикладной электрохимии. 35 (9): 865–870. Дои:10.1007 / s10800-005-4727-4. ISSN  0021-891X.
  11. ^ Boysen, Dane A .; Уда, Тэцуя; Chisholm, Calum R. I .; Хайле, Соссина М. (02.01.2004). «Высокопроизводительные твердокислотные топливные элементы за счет стабилизации влажности» (PDF). Наука. 303 (5654): 68–70. Дои:10.1126 / science.1090920. ISSN  0036-8075. PMID  14631049.
  12. ^ Недорогие дизельные топливные элементы. Буллис, Кевин. 21 октября 2010 г. MIT Technology Review.
  13. ^ Дизель: топливо будущего? 11 февраля 2013 года. Discovery News.
  14. ^ Запуск топливных элементов на биодизеле. Клод Р. Олсен, Else Lie. 8 октября 2010 г. Исследовательский совет Норвегии.
  15. ^ Уда, Тэцуя; Хайле, Соссина М. (2005-05-01). «Тонкопленочный твердокислотный топливный элемент» (PDF). Электрохимические и твердотельные буквы. 8 (5): A245 – A246. Дои:10.1149/1.1883874. ISSN  1099-0062.
  16. ^ Suryaprakash, R.C .; Lohmann, F. P .; Вагнер, М .; Abel, B .; Варга, А. (10.11.2014). «Распылительная сушка как новый и масштабируемый метод изготовления наноструктурированных композитных электродов из CsH2PO4, Pt для твердых кислотных топливных элементов». RSC Advances. 4 (104): 60429–60436. Дои:10.1039 / C4RA10259B. ISSN  2046-2069.
  17. ^ SAFCell Inc. получила грант на улучшение от армии США. Пасадена, Калифорния. SAFCell, Inc. 16 мая 2016 г. http://www.ultracell-llc.com/assets/UltraCell_BT-press-release-17-May-2016-FINAL.pdf
  18. ^ Enviro-Toilet на солнечных батареях / топливных элементах, разработанный Caltech, дебютирует в Индии. Пасадена, Калифорния. Письмо о водороде и топливных элементах. Февраль 2014. http://www.hfcletter.com/Content/EnviroToilet.aspx