1 Кафедра ВЭПТ «Твердооксидные топливные элементы» Лекция 1 Тема: Основные понятия и процессы, происходящие в твердооксидных топливных элементах. Структура, цели и задачи настоящего курса Соловьев Андрей Александрович, Доцент кафедры ВЭПТ, Н.с. Института сильноточной электроники СО РАН

2 Содержание курса «Твердооксидные топливные элементы» Лекции – 18 часов 1. Основные понятия и процессы, происходящие в твердооксидных топливных элементах. Структура, цели и задачи настоящего курса (2 часа). 2. Материалы, используемые при изготовлении ТОТЭ (4 часа). 3. Конструкции твердооксидных топливных элементов (2 часа). 4. Анализ состояния ТОТЭ в зависимости от действующих факторов. Механические напряжения, возникающие в одиночных ТЭ и стеках ТЭ (2 часа). 5. Технологии изготовления ТЭ и их компонентов (2 часа). 6. Параметры твердооксидных топливных элементов (2 часа). 7. Электрохимичские энергоустановки (2 часа). 8. Перспективы развития и применения электрохимических энергоустановок на основе ТОТЭ (2 часа). Практические занятия – 18 часов Кафедра ВЭПТ «Твердооксидные топливные элементы»

3 Рекомендуемая литература. Основная литература 1. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки / Коровин Н.В. // М.: Издательство МЭИ, 2005, 280 с. 2. Электрохимическая энергетика / Коровин Н.В. // М.: Энергоатомиздат, 1991, 264 с. 3.Ионика твердого тела. В.2, Т.1 / Иванов-Шиц А.К., Мурин И.В. // СПб.: Изд-во С.- Петерб. Ун-та, 2000, 616 с. 4. Fuel cell systems explained. Second edition / J. Larminie, A. Dicks // Wiley, 2003, P Твердооксидные топливные элементы / Сборник научно-технических статей, Издательство РФЯЦ-ВНИИТФ, Снежинск, 2003, 376 с. 6. Recent Trends in Fuel Cell Science and Technology / Edited by S. Basu, Anamaya Publishers, New Delhi, India, 2007, P Modeling Solid Oxide Fuel Cells. Methods, Procedures and Techniques / Edited by R. Bove, S. Ubertini, 2008, P Fuel Cell Technology. Reaching Towards Commercialization / Nigel Sammes (Ed.) // Springer, 2006, P Fuel cells. From fundamentals to applications / S. Srinivasan // Springer, 2006, P Fuel Cell Handbook (Sixth Edition) / By EG&G Technical Services, Inc. Science Applications International Corporation, 2002, P Fuel Cell Handbook (Seventh Edition) / By EG&G Technical Services, Inc., 2004, P Кафедра ВЭПТ «Твердооксидные топливные элементы»

4 использование не платиновых катализаторов, меньшая чувствительность к каталитическим ядам, электроокисление СО, относительно низкие электродные поляризации и соответственно высокие плотности тока, отсутствие жидких компонентов, миграции электролита, проблем затопления и смачивания электродов, толерантность к перегрузкам и недогруз­кам. В ТОТЭ наряду с электроэнергией генерируется высокопотен­циальная теплота, которую можно использовать в газовой турбине. Достоинства ТОТЭ

5 Westinghouse (США), Siemens (Германия) и их дочерняя фирма Siemens Westinghouse. Исследования и разработки прово­дят Argonne National Laboratory (США), Mitsubishi Heavy Industries, Electrotechnical Laboratory (Япония), ECN (Голландия), Research Center Uhlich (Германия) и др. В России научно-исследовательские работы ведут Институт высокотемпературной электрохимии РАН (г. Екатеринбург), МЭИ, РФЯЦ ВНИТФ (г. Снежинск), ГНЦ «Физико-энергетический институт» (г. Обнинск). Основные разработчики ТОТЭ

6 Основные процессы в ТОТЭ При использовании продуктов конверсии углеводородов на электродах протекают реакции Н 2 + О е = Н 2 О(Г) (на аноде); (1.1) СО + О е = СО, (на аноде); (1.2) О 2 + 4е = 2О 2 - (на катоде). (1.3) Суммарные токообразующие реакции в ТЭ: 2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О; (1.4) 2СО + О 2, = 2СО 2. (1.5)

7 Принцип работы ТОТЭ: Важным термодинамическим градиентом, который вызывает движение ионных частиц i является электрохимический потенциал: где μ i – химический потенциал, φ – электрический потенциал, F – постоянная Фарадея, равная ·10 4 Кл·моль -1, и n i – концентрация заряженных частиц. (1.6)

8 В случае, когда в ТЭ не течет ток, т.е. нагрузка не подключена к ТЭ значения ЭДС ТЭ, в котором идет реакция (1.4), определяется по уравнению Нернста: где Е 0 стандартная ЭДС; R универсальная газовая постоян­ная; Т - температура, F постоянная Фарадея; р парциальные давления соответ­ствующих веществ. E 0 = ΔG 0 /F, где ΔG 0 – изменение энергии Гиббса реакции. (1.7)

9 Кафедра ВЭПТ «Твердооксидные топливные элементы» Принцип работы ТОТЭ.

10 Кафедра ВЭПТ «Твердооксидные топливные элементы»

11 Figure 6. The voltage vs. current output of a theoretical fuel cell is plotted. The open circuit voltage, V OC, is the intercept on the voltage axis. ВАХ ТОТЭ

12 An illustration of how the different polarization mechanisms reduce the useable voltage

13 Механизмы, приводящие к переносу кислорода к поверхности электролита в присутствии платинового электрода. Рис. 1

14 Рис. 002