Ogniwo paliwowe na kwas stały

Stałe kwasowe ogniwa paliwowe (SAFC) to klasa ogniw paliwowych charakteryzująca się zastosowaniem stałego materiału kwasowego jako elektrolitu. Podobnie jak ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów i ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem , pobierają energię elektryczną z elektrochemicznej konwersji gazów zawierających wodór i tlen, pozostawiając jedynie wodę jako produkt uboczny. Obecne systemy SAFC wykorzystują gazowy wodór uzyskiwany z szeregu różnych paliw, takich jak propan klasy przemysłowej i olej napędowy. Działają w średnim zakresie temperatur, od 200 do 300°C.

Projekt

Stałe kwasy są chemicznymi półproduktami między solami a kwasami, takimi jak CsHSO ₄ . Kwasy stałe interesujące dla zastosowań w ogniwach paliwowych to te, których chemia oparta jest na grupach oksyanionowych (SO ₄^2- , PO ₄^3- , SeO ₄^2- , AsO ₄^3- ) połączonych ze sobą wiązaniami wodorowymi i zrównoważonych pod względem ładunku dużymi kationami gatunki (Cs ⁺ , Rb ⁺ , NH4 ₊^, K ⁺ ).

W niskich temperaturach stałe kwasy mają uporządkowaną strukturę cząsteczkową, jak większość soli. W wyższych temperaturach (między 140 a 150 stopni Celsjusza dla CsHSO ₄ ), niektóre stałe kwasy przechodzą przemianę fazową, stając się wysoce nieuporządkowanymi strukturami „superprotonicznymi”, co zwiększa przewodnictwo o kilka rzędów wielkości. W przypadku zastosowania w ogniwach paliwowych ta wysoka przewodność pozwala na uzyskanie wydajności do 50% na różnych paliwach.

Pierwsze sprawdzone SAFC zostały opracowane w 2000 r. przy użyciu wodorosiarczanu cezu (CsHSO ₄ ). Jednak ogniwa paliwowe wykorzystujące kwaśne siarczany jako elektrolit powodują powstawanie produktów ubocznych, które poważnie degradują anodę ogniwa paliwowego, co prowadzi do zmniejszenia mocy wyjściowej już po niewielkim zużyciu.

Obecne systemy SAFC wykorzystują diwodorofosforan cezu (CsH ₂ PO ₄ ) i wykazują żywotność rzędu tysięcy godzin. Podczas przechodzenia fazy superprotonicznej CsH ₂ PO ₄ doświadcza wzrostu przewodnictwa o cztery rzędy wielkości. W 2005 roku wykazano, że CsH ₂ PO ₄ może stabilnie przechodzić nadprotonową przemianę fazową w wilgotnej atmosferze w „pośredniej” temperaturze 250 ° C, co czyni go idealnym stałym elektrolitem kwasowym do zastosowania w ogniwie paliwowym. Wilgotne środowisko w ogniwie paliwowym jest niezbędne, aby zapobiec odwodnieniu i dysocjacji niektórych stałych kwasów (takich jak CsH ₂ PO ₄ ) na sól i parę wodną.

Reakcje elektrodowe

Gazowy wodór jest kierowany do anody , gdzie jest rozdzielany na protony i elektrony. Protony przemieszczają się przez stały elektrolit kwaśny, aby dotrzeć do katody , podczas gdy elektrony przemieszczają się do katody przez obwód zewnętrzny, wytwarzając elektryczność. Na katodzie protony i elektrony rekombinują wraz z tlenem, tworząc wodę, która jest następnie usuwana z układu.

Anoda : H2 _→ 2H ⁺ + 2e ⁻

Katoda : ½O ₂ + 2H ⁺ + 2e ⁻ → H ₂ O

Ogólnie : H ₂ + ½ O ₂ → H ₂ O

Działanie SAFC w średnim zakresie temperatur pozwala im wykorzystywać materiały, które w przeciwnym razie zostałyby uszkodzone w wysokich temperaturach, takie jak standardowe elementy metalowe i elastyczne polimery. Te temperatury sprawiają również, że SAFC są odporne na zanieczyszczenia w ich wodorowym źródle paliwa, takie jak tlenek węgla lub składniki siarki. Na przykład SAFC mogą wykorzystywać gazowy wodór wydobywany z propanu, gazu ziemnego, oleju napędowego i innych węglowodorów.

Fabrykacja i produkcja

Sossina Haile opracowała pierwsze kwasowe ogniwa paliwowe w latach 90.

W 2005 roku SAFC zostały wyprodukowane z cienkimi membranami elektrolitycznymi o grubości 25 mikrometrów, co spowodowało ośmiokrotny wzrost szczytowej gęstości mocy w porównaniu z wcześniejszymi modelami. Cienkie membrany elektrolitowe są niezbędne, aby zminimalizować utratę napięcia spowodowaną rezystancją wewnętrzną w membranie.

Według Suryaprakasha i in. 2014, idealna anoda kwasowego ogniwa paliwowego to „porowata nanostruktura elektrolitu równomiernie pokryta cienką warstwą platyny”. Grupa ta wykorzystała metodę zwaną suszeniem rozpyłowym do wytworzenia SAFC, osadzając nanocząsteczki stałego kwaśnego elektrolitu CsH ₂ PO ₄ i tworząc porowate, trójwymiarowe wzajemnie połączone nanostruktury stałego kwaśnego elektrolitu do ogniw paliwowych CsH ₂ PO ₄ .

Stabilność mechaniczna

W porównaniu z ich odpowiednikami pracującymi w wysokich temperaturach, takimi jak wysokotemperaturowe protonowe ceramiczne ogniwa paliwowe lub ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem , ogniwa paliwowe na stały kwas korzystają z pracy w niskich temperaturach, w których odkształcenie plastyczne i mechanizmy pełzania są mniej podatne na trwałe uszkodzenie materiałów ogniwa. Trwałe odkształcenie występuje łatwiej w podwyższonych temperaturach, ponieważ defekty obecne w materiale mają wystarczającą energię, aby się poruszyć i zakłócić pierwotną strukturę. Praca w niższej temperaturze pozwala również na stosowanie ogniotrwałych , co zwykle obniża koszt SAFC.

Jednak stałe kwasowe materiały elektrolityczne do ogniw paliwowych są nadal podatne na degradację mechaniczną w normalnych warunkach pracy powyżej ich nadprotonowych temperatur przejścia fazowego ze względu na nadplastyczność, którą umożliwia to przejście. Na przykład w przypadku CsHSO _{4 badanie wykazało, że materiał może podlegać} prędkościom odkształcenia sięgającym nawet ${\ Displaystyle 10 ^ {-2} s ^ {-1}}$ w zakresie kilku MPa. Ponieważ ogniwa paliwowe często wymagają ciśnień w tym zakresie, aby prawidłowo uszczelnić urządzenie i zapobiec wyciekom, pełzanie prawdopodobnie spowoduje degradację komórek, tworząc ścieżkę zwarcia. To samo badanie wykazało, że szybkość odkształcenia modelowana przy użyciu standardowego równania pełzania w stanie ustalonym $\ frac {-Q} {kT}}}$ ${\ Displaystyle {\ overset {\ cdot} {\ epsilon}} = A \ sigma ^ {n} e ^$ $poślizgu$ ma wykładnik naprężenia związany z mechanizmem dyslokacji energią aktywacji 1,02 eV. n to wykładnik naprężenia, Q to energia aktywacji pełzania, a A to stała zależna od mechanizmu pełzania.

Odporność na pełzanie można uzyskać przez wzmocnienie osadu przy użyciu elektrolitu kompozytowego, w którym cząstki ceramiczne są wprowadzane w celu zapobieżenia ruchowi dyslokacyjnemu. Na przykład szybkość odkształcania CsH ₂ PO ₄ została zmniejszona 5-krotnie przez dodanie cząstek SiO ₂ o wielkości 2 mikronów, co jednak skutkowało 20% spadkiem przewodnictwa protonowego.

Inne badania dotyczyły kompozytów CsH ₂ PO ₄ / żywicy epoksydowej , w których cząsteczki CsH ₂ PO ₄ wielkości mikronów są osadzone w usieciowanej matrycy polimerowej. Porównanie wytrzymałości na zginanie kompozytu SiO ₂ z kompozytem epoksydowym wykazało, że chociaż same wytrzymałości są podobne, elastyczność kompozytu epoksydowego jest lepsza, co jest właściwością niezbędną do zapobiegania pękaniu elektrolitu podczas operacji. Kompozyt epoksydowy wykazuje również porównywalne, ale nieco niższe przewodnictwo niż kompozyt SiO2 _podczas pracy w temperaturach poniżej 200°C.

Aplikacje

Ze względu na ich umiarkowane wymagania temperaturowe i kompatybilność z kilkoma rodzajami paliw, SAFC mogą być wykorzystywane w odległych lokalizacjach, gdzie inne rodzaje ogniw paliwowych byłyby niepraktyczne. W szczególności systemy SAFC do zdalnych zastosowań naftowych i gazowych zostały wdrożone w celu elektryfikacji głowic odwiertów i wyeliminowania użycia elementów pneumatycznych, które odprowadzają metan i inne silne gazy cieplarniane prosto do atmosfery. Opracowywany jest mniejszy, przenośny system SAFC do zastosowań wojskowych, który będzie działał na standardowych paliwach logistycznych, takich jak morski olej napędowy i JP8.

W 2014 r. opracowano toaletę, która chemicznie przekształca ścieki w wodę i nawóz, wykorzystując połączenie energii słonecznej i SAFC.