1598005413-fed7095c5cc635c55b82ef4e37ea2648 (811209), страница 16
Текст из файла (страница 16)
6-10; 98; 99, с. 211, 1537-154Ц, предложены титанаты, например ЬатТ(ОЗ, БтТ105. Особенно перспективным считается Ь1ГеОз с добавкой Мп02 [170, с. 159-164). Э ле менты. Схема элемента Института газовой технологии (СНА) [62; 99, с. 211; 134; 150, доклад 25; 101, с. 703) приведена на рис.
2.10. Кроме анода, катода, матричного электролита элемент имеет токоотводы, сепараторы газов и уплотнения. Толщина элемента около 5 мм. Характеристики элемента с электродами, имеющими площадь поверхности 94 см', приведены в табл. 2.5 (поз. 8). Элементы могли работать на газах, содержащих высокую молярную долю СО (10% и более). Однако при переходе от продуктов конверсии метана и нафты к продуктам газифика' ции угля или частичного окисления нефти напряжение элемвн та при плотности тока 2 кА/мэ и температуре 650'С снижалось на 40-75 мВ [150, доклад 25). Элементы были очень чувствитель" ны к примесям Н28 и СОБ.
Содержание серы в топливе не должно превышать 10 частей на миллион [62]. Ресурс элемента 10 000 ч, темп падения напряжения 0,1 мВ/ч [99, с. 21Ц. Ресурс ТЗ возрастает с уменьшением температуры в соответствии с 86 азнением (2.12б). Например, при 893 К ресурс ТЭ равен 4000 ч, апри и 873 К вЂ” 10 000 ч [86, с.
1222-1228). Элементы фирмы "Фудзи" [1 70 с. 187-190) имели к 1986 г. электроды с площадью поверхност ти 200 смэ. В модуле мощностью 820 Вт плотность тока состав вняла 1,5 кА/мх и напряжение отдельного элемента 0,756 В. (отовится технология промышленного производства ТЭ с плоадью электродов в элементе более 0,2 мх. Оценки, проведенные в 1980 г., показывают, что стоимость ,атериалов ТЭ, долл/кВт, составляет Ь1А1О2- 14,4, анод (тол- ина 0,76 мм, пористость 70%) Кй + Сг — 17,1, нержавеющая сталь „Римерно 16 [101, с. 703), т.е.
с учетом стоимости катода стоимость материалов ТЭ составляла 65 долл/кВт. Имеется перспеквза снижения стоимости материалов ТЭ до 30 долл/кВт. Характеристики элементов непрерывно улучшаются. Так, за 15 лет плотность тока возросла в 4 раза (рис. 2.11), а плотность мощности в 6 раз. Анализ хода разработок, накопленного опыта и научного задела позволяет прогнозировать, что к началу 90-х годов плотность мощности ТЭ достигнет 1,2-1,5 кВт/м', ресурс — более 40 000 ч при темпе падения напряжения около 4 мкВ/ч и менее.
2,О у,а а о 4 н о 1,2 Ы а,в о О,т' 2 о уоа ' уооа раааа уооооо Расуас,ч Рас., ас 1 10. Схема ТЭ с расплавленным карбонатным электролитоэл 1 - катод; 2 — анод; 5 — токоотвод и прунина длл электродов; 4 — гаэораспрелэаение; 5 - матричный электролит; 5 -уплотнение рас. 2, вс; 1 11. Улучлхение характеристик ТЭ РКЭ по годам 11341 зт К основным проблемам, которые предстоит решать, относятсд.
уменьшение потерь электролита, снижение скорости коррози„ анода, повышение стойкости к термическим ударам. 2.5.3. Топливные элементы с твердым оксидным электрол1э том (ТЭТРЭ). Элементы с расплавленными карбонатныа,„ электролитами требуют введения С02 в Воэдух, Поцазавмый и катод ТЗ, расплавленные соли коррозионно-активны и не очэн устойчивы. Зтих недостатков лишены ТЭ с твердым оксидны,„ электролитом (ТЭТОЗ). Кроме того, последние менее чувства. тельны к соединения серы, чем ТЭРКЭ, более компактны Разработка ТЭТОЗ ведется в СП)А (фирма "Вестингауз" и др.) Японии, СССР (Институт Электрохимии Уральского отделения АН СССР), Франции и в других странах.
Электролиты ТЗ. Приемлемыми значениями электри. ческой проводимости при температуре 1000 К обладают оксида цирконияиитгрия(Ег02)бэ(у202)б1 (а1273 10ээ140м 'м ') и оксиды циркония и скандия (Ег02)б 9 (Яс202)б 1 (а1272 = 34 Ом-'1 к м-') [9). Однако оксиды скандия значительно дороже оксидов иттрия. По этой же причине не используются электролиты, содержащие оксиды иттербия и неодима. Обычно применяются электролиты толщиной 0,3-0,5 мм, однако имеются сообщения об использовании электролита толщиной 150 мкм [97, с. 165- 1682.
А н оды. На аноде протекают реакции: (2З9) Н +О*--2е =Н2О, СО + О'- — 2 е = СОБ. (2.40) (2.4 1) О2+4е - 2О' . ББ Кроме того, возможны побочные реакции, например (2.34) и (2.37). Анодами служат пористый никель, кобальт, медь или сплавы никеля с кобальтом [35; 66; 97; 102).
Для повышения устойчивости никель и его сплавы стабилизируют диоксидом циркония [97, с. 11-14; 105, с. 431-437; 106). Толщина электродов обычно 100-200 мкм. Как показали наши исследования, поляризационное сопро. тивление электрода при использовании СО примерно в 4 раза выше, чем при использовании Н2. Катоды. На катоде ТЗ идет восстановление кислорода: В качестве катодов ТЗ нашли применение оксидные полувсдниковые соединения [9; 66; с. 288-290; 105, с.
439-442]; , „бальтиты (ЬаСоОБ,РТСоО5),манганиты(ЬаМп05, СаМп02), хро„ты (ЬвСгОи РТСг02); кобальтиты, манганиты и хромиты нес„льких металлов, например Ьа(1 х)СахСоОЗ, Ьа(1 „)82„СоОЗ, где 0 с х < 1; оксиды индия и олова и др. Эти сойдинения при температуре 1000'С имеют приемлемую электрическую проводи- э1оСТЬ, НаПРИМЕР ПРОВОДИМОСТЬ Ьаб ББГБ 2СООБ СОСтаВЛЯЕт бОЛЕЕ 10э Ом ' ° м ' [42). Предложены также смешанные оксиды лантана, стронция, церия, марганца, кобальта и других металлов [40). Толшина катодов обычно 150-200 мкм.
Процесс на актив„ых катализаторах кислородного электрода лимитируется, в основном, диффузией. Материалы коммутации элементов. Выбор материала для коммутации элементов осложняется разностью значений коэффициентов расширения материалов, а также изменением характера газовой среды при переходе от анода к катоду и другими причинами Для коммутации ТЗ предложены смешанные хромиты, диоксид титана, жаростойкие металлические сплавы [35). Элементы.
Многие фирмы разрабатывают элементы трубчатой конструкции, впервые предложенной фирмой ЯВестиннауз". В качестве основы ТЗ служит пористая труба из А!202 или ЕТО2, стабилизированного оксидом кальция. На рис.2.12 приведена схема одного из вариантов ТЭ. Так, фирма "Вестингауз" использует керамическую трубУ диаметром 0,01 м, толщиной стенки 10-э м и длиной 0,25 м. Газо- пламенным методом наносят на трубу катод из ЬаМп05, затем б 7 В рв, "с 2 12. Схема ТЭ с твердооксидным электролитом: 2 — опорная труба (А!202)1 2 — тонкий слой А!2ОЗ1 5 - топливный электрод: В— алек ктролит; 5 — меиэлектродная коммутапия; 6 — воздушный электрод; 1 — оксид аэвминия1 В -Ы1-А! Б9 слой твердого электролита и анод из пористого никеля нд» кобальта, стабилизированных л.г09 [106).
Межэлементное соединение обеспечивается электропрово~, ной кеРамикой ЬаСг09. В дРУгом элементе [105, с. 431 37) вместо ЬаМООз 1~а катоде использовался РгСоОз (20-50 г/мх) Вольт-амперная кривая элемента имеет линейный характе (рис.2.3, кривая 5). Характеристики ТЗ приведены в табл. 24 (поз. 9) Ресурс батареи из семи элементов, работающих» воздухе в смеси газов: Нп СО, СО9 и Н9О, составил 5000 ч, плс ность мощности достигала 2,4 кВт/мл. В Электротехнической лаборатории (Япония) также разра, батываются ТЗ трубчатой конструкции [105; 136, с.
827-83!1, 8 качестве основы служит труба из А!909 пористостью 20%, ддгт ной 0,7 м, диаметром 0,048 м, с толщиной стенки 4 мм. На труб) методом газопламенного напыления наносится слой топлив. ного электрода из никеля или оксида никеля толшино» 0,08 мм, плазмопламенным напылением — слой электролита (Ег09)э 99 (У909)э эз толщиной 0,25 мм, газопламенным мего дом — слой катода из ЬаСо09 толщиной 0,19 мм. Коммутацнон. ный слой состоит из сплава )Ч!А! (Массовая доля никеля 4,5%, алюмв ния 95,5%) или из смеси сплава Х!А! (массовая доля 65%) и Егб, стабилизированного СаО (массовая доля 35%), и наносится плазменным напылением, Удельное сопротивление, Ом ° э» слоев составляло: 0,2 — катодного и 0,015 — анодного.
При темпе. ратуре 1000 'С была достигнута плотность мощности 3 кВт/м' при использовании кислорода и водорода. В институте Электрохимии Уральского отделения АН СССР [35, т. 2, с. 177-179) разработаны ТЭ с пористыми металлически. ми анодами, с катодами на основе смешанных оксидов и элект ролитом на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. При температуре 850'С получена удельнай мощность до 1,5кВт/мл при работе на водороде и конвертиро. ванном природном газе. Испытаны батареи ТЭ мошностьв 200 Вт и 1 кВт. В Аргоннской национальной лабоРатории (США) [45, с.
1634; 9) с. 74-771 предложен новый, более компактный, ТЭ вЂ” монолит' ный. Основой ТЗ служит лента твердого электролита, согну' тая зигзагообразно, на одну сторону ленты наносится материал катода (манганит лантана), на другую - материал анода (кермет системы никель — диоксид циркония) (рис. 2.13). Газовые каме' ры разъединяются, а катод с анрдом разных элементов элек"" 90 9 рь Схема ТЭ ТОЭ плотноупакорис. „ой конструкции: вени воэдушнмй электрол; Р— мен,лемен нтное соединение; 3 - электро'л . Л - топливнмй электрод; э — путь лит; Рон ион;  — воэлухя Т топлиэлект во Р НЧЕСКИ СОЕДИНЯЮТСЯ С ПОМО металлических пластин.
Ф толщины катода, твердого влек- >Опята и анода составляют 0025-0,1 мм. Благодаря малой у лшине твердого электролита существенно снижаются омические потери в ТЭ. Удельная активная плоЩадь поверхности электродов, отнесенная к единице Объема элемента, весьма велика, до 1000 мл/мэ. Поэтому удельная пдэтность мощности на единицу объема ТЭ может быть на два порядка выше, чем у ТЭ традиционной трубчатой конструкции. Возможность создания таких ТЗ определяется в первую очередь разработкой технологии получения керамических лент сложной формы. На первом этапе использовались методы литья и экструзии. Изготовлен и испытан в течение 250 ч двухэлементный модуль с плошадью поверхности электродов 9 смл.
Как следует из рассмотренного выше, решены некоторые проблемы ТЭТОЗ; созданы электроды без платиновых катализаторов, найдены материалы межэлементных соединений, испытаны элементы с ресурсом 5000 ч и выше. Однако предстоит еше большая работа по снижению стоимости ТЭ, улучшению его характеристик, особенно повышению ресурса (примерно на порядок). При интенсивной работе на это потребуется не менее пяти лет.
2.6. ЭЛЕКТРОХИИИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ (ЭХГ) Устройство ЗХГ зависит от его значения, типа ТЭ и вида топлива. Однако любой ЭХх имеет в своем составе батарею (батареи) ТЭ, подсистемы подачи реагентов, отвода продуктов реакции и тепла, подсистему автоматики. 2 6 1. Ботореи ТЭ. Лля увеличения тока и (или) напряжения ТЭ электрически соединяют параллельно или последователь- "О> образуя батарею ТЗ. Выбор схем электрического соединения ТЗ определяется напряжением, мощностью и требованиями по 9! надежности ЭХГ. Батареи ТЭ имеют подсистему ввода реагев.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
