Тройная фазовая граница - Википедия - Triple phase boundary

А тройная фазовая граница (TPB) - геометрический класс фазовая граница и место контакта между тремя разными фазы. Простым примером TPB является береговая линия где земля, воздух и море встречаются, чтобы создать энергетическое место, управляемое солнечной, ветровой и волновой энергией, способное поддерживать высокий уровень биоразнообразия. Это понятие особенно важно при описании электроды в топливные элементы и батареи. Например, для топливных элементов три фазы являются ион дирижер (электролит ), электрон дирижер, и фаза виртуальной «пористости» для транспортировки газообразных или жидких топливо молекулы. Электрохимические реакции, которые топливные элементы используют для производства электричества, происходят в присутствии этих трех фаз. Таким образом, трехфазные границы являются электрохимически активными центрами внутри электродов.

Реакция восстановления кислорода, происходящая при твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) катод, можно записать следующим образом:

О
2(газ) + 4е−(электрод) → 2О2−
(электролит)

Различные механизмы приводят эти реагенты к TPB для проведения этой реакции.[1] Кинетика этой реакции является одним из ограничивающих факторов в производительности ячейки, поэтому увеличение плотности TPB приведет к увеличению скорость реакции, и, таким образом, увеличить производительность ячейки.[2] Аналогично, плотность TPB будет также влиять на кинетику реакции окисления, которая происходит между ионами кислорода и топливом на анодной стороне элемента. Транспорт 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 трехмерной визуализации, такие как FIB-SEM и рентгеновский снимок нанотомография для измерения плотности TPB как способа характеристики клеточной активности.[3][4] Недавно было показано, что технологические методы, такие как инфильтрация, существенно увеличивают плотность TPB, что приводит к более высокой эффективности и, возможно, более коммерчески жизнеспособным SOFC.[5]

Единицы

В системах, состоящих только из трех фаз, тройные фазовые границы представляют собой геометрически замкнутые линейные элементы, которые не пересекают другие TPB и как таковые не образуют сеть. Самая простая форма TPB легко визуализируется с помощью двух пересекающихся сфер произвольного размера с разной фазой, подвешенных в свободном пространстве (см. Рис.[6]), который создает круговую TPB на пересечении сфер. Однако в электродах петли TPB обычно имеют очень сложную и стохастическую форму в три измерения (3D). Таким образом, TPB имеют единицы длины. Для электродов нормализация длины TPB к плотности TPB обеспечивает важный микроструктура параметр для описания электрода и, следовательно, характеристик ячейки, который не зависит от размеров электрода. Плотность TPB обычно является объемной плотностью и измеряется в единицах обратной квадрата длины, обычно в мкм.−2 (т.е. мкм / мкм3) из-за масштаба характерных особенностей микроструктуры электродов.

Активный TPB

Трехфазные границы являются электрохимически активными только в том случае, если каждая «фаза» подключена к источникам и назначению реакционных частиц для завершения электрохимической реакции. Активные TPB часто называют просачивающийся TPBs. Например, в ТОТЭ Кермет анода Ni-YSZ TPB должен:

  • Иметь доступ к водород от анод вход газа и возможность отвода пара к выходу анодного газа через сеть фазовых пор
  • Иметь доступ к ионам кислорода, транспортируемым из сети фаз электролита YSZ электролита
  • Уметь проводить электроны из TPB через электронную проводимость никель сеть к анодному токоприемнику

В дополнение к увеличению плотности TPB, очевидно, выгодно увеличить отношение активной плотности к общей плотности TPB для увеличения производительности электрода / элемента электрода.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Fehribach, Joseph D .; О'Хейр, Райан (январь 2009 г.). «Трехфазные границы в твердооксидных катодах». Журнал SIAM по прикладной математике. 70 (2): 510–530. Дои:10.1137/080722667. ISSN  0036-1399.
  2. ^ О'Хейр, Райан; Принц, Фриц Б. (2004). «Трехфазная граница воздух / платина / нафион: характеристики, масштабирование и значение для топливных элементов». Журнал Электрохимического общества. 151 (5): A756. Дои:10.1149/1.1701868.
  3. ^ Vivet, N .; Чупин, С .; Estrade, E .; Ричард, А .; Bonnamy, S .; Rochais, D .; Брюнетон, Э. (декабрь 2011 г.). «Влияние содержания Ni в керметах ТОТЭ Ni-YSZ: трехмерное исследование методом томографии FIB-SEM». Журнал источников энергии. 196 (23): 9989–9997. Bibcode:2011JPS ... 196.9989V. Дои:10.1016 / j.jpowsour.2011.07.010.
  4. ^ Песня, Боуэн; Руис-Трехо, Энрике; Бертей, Антонио; Брэндон, Найджел П. (январь 2018 г.). «Количественная оценка деградации анодов Ni-YSZ при окислительно-восстановительном цикле». Журнал источников энергии. 374: 61–68. Bibcode:2018JPS ... 374 ... 61S. Дои:10.1016 / j.jpowsour.2017.11.024.
  5. ^ Песня, B .; Руис-Трехо, Э .; Брэндон, Н. (Август 2018 г.). «Повышенная механическая стабильность каркаса Ni-YSZ, продемонстрированная методами наноиндентирования и спектроскопии электрохимического импеданса». Журнал источников энергии. 395: 205–211. Bibcode:2018JPS ... 395..205S. Дои:10.1016 / j.jpowsour.2018.05.075.
  6. ^ Jørgensen, P.S .; Hansen, K.V .; Larsen, R .; Боуэн, Дж. Р. (15 декабря 2010 г.). «Высокоточная характеристика границ раздела трехфазных систем материалов в трех измерениях». Журнал источников энергии. 195 (24): 8168–8176. Bibcode:2010JPS ... 195.8168J. Дои:10.1016 / j.jpowsour.2010.06.083.