Granica trójfazowa
Granica trójfazowa ( TPB ) jest geometryczną klasą granicy faz i miejsca styku trzech różnych faz . Prostym przykładem TPB jest linia brzegowa , gdzie ląd, powietrze i morze spotykają się, tworząc energetyczną lokalizację napędzaną energią słoneczną, wiatrową i falami, zdolną do utrzymania wysokiego poziomu różnorodności biologicznej. Pojęcie to ma szczególne znaczenie przy opisie elektrod w ogniwach paliwowych i akumulatorach . Na przykład w przypadku ogniw paliwowych trzy fazy to jon przewodnik ( elektrolit ), przewodnik elektronów i wirtualna faza „porowatości” do transportu cząsteczek paliwa gazowego lub płynnego . Reakcje elektrochemiczne, za pomocą których ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną, zachodzą w obecności tych trzech faz. Trójfazowe granice są zatem elektrochemicznie aktywnymi miejscami w obrębie elektrod.
Reakcję redukcji tlenu, która zachodzi na katodzie ogniwa paliwowego ze stałym tlenkiem (SOFC), można zapisać w następujący sposób:
O
2 (gaz) + 4 e − (elektroda) → 2 O 2−
(elektrolit)
Różne mechanizmy doprowadzają te reagenty do TPB w celu przeprowadzenia tej reakcji. Kinetyka tej reakcji jest jednym z czynników ograniczających wydajność ogniwa, więc zwiększenie gęstości TPB zwiększy szybkość reakcji , a tym samym zwiększy wydajność ogniwa. Analogicznie gęstość TPB wpłynie również na kinetykę reakcji utleniania zachodzącej pomiędzy jonami tlenu a paliwem po stronie anody ogniwa. Transport do iz każdego TPB będzie miał również wpływ na kinetykę, dlatego też ważną kwestią jest optymalizacja dróg dostarczania reagentów i produktów do obszaru aktywnego. Naukowcy pracujący z ogniwami paliwowymi coraz częściej wykorzystują techniki obrazowania 3D, takie jak np FIB-SEM i nanotomografia rentgenowska do pomiaru gęstości TPB jako sposób charakteryzowania aktywności komórek. Ostatnio wykazano, że techniki przetwarzania, takie jak infiltracja, znacznie zwiększają gęstość TPB, prowadząc do wyższej wydajności i potencjalnie bardziej opłacalnych SOFC.
Jednostki
W systemach składających się tylko z trzech faz granice trzech faz są geometrycznie zamkniętymi pętlami liniowymi, które nie przecinają innych TPB i jako takie nie tworzą sieci. Najprostszy kształt TPB można łatwo zwizualizować za pomocą dwóch przecinających się sfer o dowolnej wielkości i różnych fazach zawieszonych w wolnej przestrzeni (patrz rysunek 3), które tworzą okrągły TPB na przecięciu kul. Jednak w elektrodach pętle TPB mają zwykle bardzo złożone i stochastyczne kształty w trzech wymiarach (3D). TPB mają zatem jednostki długości. W przypadku elektrod normalizacja długości TPB do gęstości TPB zapewnia ważną mikrostrukturę parametr do opisu elektrody, a tym samym wydajności ogniwa, który jest niezależny od wymiarów elektrody. Gęstość TPB jest zwykle gęstością objętościową i jest mierzona w jednostkach odwrotności długości do kwadratu, typowo μm -2 (tj. μm /μm 3 ) ze względu na skalę typowych cech mikrostrukturalnych elektrody.
Aktywny TPB
Granice trójfazowe są aktywne elektrochemicznie tylko wtedy, gdy każda „faza” jest połączona ze źródłami i miejscami docelowymi reakcji, aby zakończyć reakcję elektrochemiczną. Aktywne TPB są często określane jako perkolowane TPB. Na przykład w cermetalu anodowym SOFC Ni-YSZ TPB musi:
- Mieć dostęp do wodoru z wlotu gazu anodowego i być w stanie odprowadzać parę do wylotu gazu anodowego przez sieć faz porowatych
- Mają dostęp do jonów tlenu transportowanych z sieci fazowej elektrolitu YSZ elektrolitu
- Być w stanie przewodzić elektrony z TPB przez przewodzącą elektrony sieć niklu do kolektora prądu anodowego
Oprócz zwiększania gęstości TPB jest oczywiście korzystne zwiększenie stosunku aktywnej do całkowitej gęstości TPB w celu zwiększenia wydajności elektrody/ogniwa.