Электрохимический конвертер для получения водорода на основе смешанных ионно-электронных оксидных проводников
Диссертация
Исследовано поведение мембран на основе титанатов щелочноземельных элементов в условиях близких к рабочим условиям электрохимического конвертера. Изучена кислородопроницаемость систем CaTio.8Fe0.2035 и SrTio.sFeo.sOa-g. Показано, что для мембраны на основе титаната стронция величина потока кислорода, на порядок выше данной величины для кальциевой системы. Установлено, что эффективная амбиполярная… Читать ещё >
Список литературы
- Твердые оксидные электролиты: достижения и возможности / А. Демин // Наука Урала. — 2007. — Сент. (N 21). — С. 4−5: фот.
- Чиркун И. Э. Получение водорода методом высокотемпературной электрохимической конверсии метана: Дисс. канд. хим. наук: 02.00.01 / Минск, 1990.- 133 с.
- DOE Hydrogen Program: FY 2005 Progress Report / U.S. Department of Energy. Washington, 2005. — 1415 p. — Из содерж.: IV. l Hydrogen Production Overview. — P. 73−76.
- Hydrogen as an energy carrier and its production by nuclear power: Report IAEA-TECDOC-1085 / International Atomic Energy Agency (IAEA). May, 1999.-347 p.
- Hydrogen Supply: Cost Estimate for Hydrogen Pathways Scoping Analysis: Report NREL/SR-540−32 525 (January 22, 2002 — July 22, 2002) / D. Simbeck, E. Chang- National Renewable Energy Laboratory (NREL). — November, 2002. — 69 p.
- Ramage, M. The Hydrogen Economy: Opportunities, Costs, Barriers, and R&D Needs: Presentation / US National Academy of Sciences- National Research Council, National Academy of Engineering. Washington, 2004. — 75 p.
- Коровин, H.B. топливные элементы и электрохимические энергоустановки / H.B. Коровин. М.: Издательство МЭИ, 2005. — 278 с. -ISBN 5−7046−1185−0.
- The Hydrogen Economy: Opportunities, Costs, Barriers, and R&D Needs: Report / US National Academy of Sciences- National Research Council, National Academy of Engineering. Washington: The National Academies Press, 2004. -257p.
- Padro, С. E. G. Survey of the Economics of Hydrogen Technologies: Technical Report NREL/TP-570−27 079 / С. E. G. Padro, V. Putsche- US National Renewable Energy Laboratory (NREL). September, 1999. — 57 p.
- Coutelieris, F. A. The importance of the fuel choice on the efficiency of a solid oxide fuel cell system / F. A. Coutelieris, S. Douvartzides, P. Tsiakaras // Journal of Power Sources. 2003. — Vol. 123, N 2. — P. 200−205.
- Arashi, H. Hydrogen production from high-temperature steam electrolysis using solar energy / H. Arashi, H. Naito, H. Miura // International Journal of Hydrogen Energy. 1991. -Vol. 16, N 9. — P. 603−608.
- Baykara, S. Z. Hydrogen production by direct solar thermal decomposition of water, possibilities for improvement of process efficiency // International Journal of Hydrogen Energy. -2004. Vol. 29, N 14. — P. 1451−1458.
- Hino, R. R&D on hydrogen production by high-temperature electrolysis of steam / R. Hino, K. Haga, H. Aita, K. Sekita // Nuclear Engineering and Design. -2004. Vol. 233, N 1−3. — P. 363−375.
- Демин, А. К. Твердооксидные электрохимические устройства и перспективы электрохимической энергетики // Вестник УрО РАН. 2005. — N 4 (14).-С. 9−17.
- Tsiakaras, P. Thermodynamic analysis of a solid oxide fuel cell system fuelled by ethanol / P. Tsiakaras, A. Demin // Journal of Power Sources. 2001. -Vol. 102, N 1−2.-P. 210−217.
- Konopka, A. J. Hydrogen Production by Electrolysis: Present and Future / A. J. Konopka, D. P. Gregory // 10th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference (USA, Newark, Delaware, August 18−22, 1975). 1975.
- Ivy, J. Summary of Electrolytic Hydrogen Production: Milestone Completion Report NREL/MP-560−36 734 / J. Ivy- US National Renewable Energy Laboratory (NREL). September, 2004. 27 p.
- Коровин, Н. В. и др. Термодинамические основы процессов высокотемпературной электрохимической конверсии / Коровин Н. В., Г. Н. Волощенко, В. Н. Смирнов // Электрохимия. 1984. — Т. 20. — С. 1258−1260.
- Bonanos, N. Perovskite solid electrolytes: Structure, transport properties and fuel cell applications / N. Bonanos, K. S. Knight, B. Ellis // Solid State Ionics. -1995,-Vol. 79.-P. 161−170.
- Li, S. Synthesis and oxygen permeation properties of Lao^Sro.sCoo^Feo.sCb-j membranes / S. Li, W. Jin, N. Xu, J. Shi // Solid State Ionics. 1999. — Vol. 124, N 1−2.-P. 161−170.
- Bak, T. Surface electrical properties of (La, Sr)(Co, Fe, Mn)03 / Bak Т., J. Nowotny, M. R’ekas, С. C. Sorrell, E. R. Vance // Solid State Ionics. 2000. — Vol. 135, N 1−4.-P. 563−565.
- Shaw, С. К. M. Mixed cobalt and nickel containing perovskite oxide for intermediate temperature electrochemical applications / Shaw С. К. M., Kilner J. A., Skinner S. J. // Solid State Ionics. 2000. — Vol. 135, N 1−4. — P. 765−769.
- Atkinson, A. Oxygen diffusion and surface exchange in La0.8Sro.2Feo.8Cro.203s under reducing conditions / Atkinson A., Chater R. J., Rudkin R. // Solid State Ionics. 2001. — Vol. 139, N 3−4. — P. 233−240.
- Lee, S. Oxygen-permeating property of LaSrBFe03 (B = Co, Ga) perovskite membrane surface-modified by LaSrCo03 / S. Lee, K. S. Lee, S. K. Woo, J. W. Kim, T. Ishihara, D. K. Kim // Solid State Ionics. 2003. — Vol. 158, N 3−4. — P. 287- 296.
- Fergus, J. W. Lanthanum chromite-based materials for solid oxide fuel cell interconnects // Solid State Ionics. 2004. — Vol. 171, N 1−2. — P. 1−15.
- Steinsvik, S. Hydrogen ion conduction in iron-substituted strontium titanate, SrTibxFex03-x^ (0 < x < 0.8) / S. Steinsvik, Y. Larring, T. Norby // Solid State Ionics.-2001.-Vol. 143, N 1.-P. 103−116.
- Grenier, J. С. Etude par diffraction X et microscopie electronique du systeme CaTi03-Ca2Fe205 / J. C. Grenier, G. Schiffmacher, P. Саго, M. Pouchard, P. Hagenmuller // Journal of Solid State Chemistry. 1977. — Vol. 20, N 4. — P. 365−379.
- Vollman, M. Grain Boundary Defect Chemistry of Acceptor-Doped Titanates: Space Charge Layer Width / M. Vollman, R. Waser // Journal of the American Ceramic Society. 1994. — Vol. 77, N 1. — P. 235−243.
- Waser, R. dc Electrical Degradation of Perovskite-Type Titanates: I. Ceramics / R. Waser, T. Baiatu, К. H. Hardtl // Journal of the American Ceramic Society. 1990.-Vol. 73, N6.-P. 1645−1653.
- Hashimoto, S.-I. Conduction properties of CaTii^M03-a (M = Ga, Sc) at elevated temperatures / S.-I. Hashimoto, H. Kishimoto, H. Iwahara // Solid State Ionics.-2001.-Vol. 139, N3−4.-P. 179−187.
- Горелов, В. П. Электропроводность и природа ионного переноса в замещенных перовскитах на основе титаната кальция во влажной атмосфере / В. П. Горелов, В. Г. Балакирева // Электрохимия. 1997. — Т. 33, N 12. — С. 1450−1454.
- Iwahara, Н. Mixed conduction and oxygen permeation in the substituted oxides for СаТЮз / H. Iwahara, T. Esaka, T. Mangahara // Journal of Applied Electrochemistry.- 1998.-Vol. 18, N2.-P. 173−177.
- Королев, В. П. Фазовый состав и электрические свойства образцов системы СаТЮз-СаМпОз / В. П. Королев, И. Ф. Кононюк, И. О. Попов // Неорганические материалы. 1989. — Т. 25, N 7. — С. 1192−1195.
- Ferreira, A. A. L. Oxygen losses and electrical conductivity of SrTii^Nb/)3+5 materials / A. A. L. Ferreira, J. С. C. Abrantes, J. A. Labrincha, J. R.
- Frade // Journal of the European Ceramic Society. — 1999. — Vol. 19, N 6−7. P. 773−776.
- Иванов-Шиц, А. К. Ионика твердого тела. Т. 1 / А. К. Иванов-Шиц, И. В. Мурин- С.-Петерб. гос. ун-т- Ин-т кристаллографии РАН. — СПб.: Санкт-Петербургский государственный университет, 2000. — 616 с.: ил., табл.
- Вест, А. Р. Химия твердого тела. Теория и приложения. Ч. 1 / Пер. с англ. А. Р. Кауля, И. Б. Куценка- Под ред., предисл. Ю. Д. Третьякова. М.: Мир, 1988. — 556 е.: ил., табл.
- Шаскольская, М. П. Кристаллография / М. Шаскольская. М.: Высшая школа, 1984.-375 с.
- Walters, L. С. Formation of point defects in strontium titanate / L. C. Walters, R. E. Grace // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 1967. — Vol. 28, N2. — P. 239−244.
- Жуковский, B.M. Вводный курс в электрохимию дефектных кристаллов / В. М. Жуковский, А. Н. Петров, А .Я. Нейман. Свердловск: УрГУ, 1979. — 99 с.
- Горелов, В.П. Влияние различных добавок на электрические свойства образцов CaTii.xFex03.5 / В. П. Горелов, В. Г. Балакирева // Электрохимия. 1997. том 33. № 12. С. 1450−1454
- Жуковский, В. М. Введение в химию твердого тела: Учеб. пособие / В. М. Жуковский, А. Н. Петров- Науч. ред. В. Н. Конев. Свердловск: Изд-во Урал. гос. ун-та, 1978. — 117 е.: ил.
- Sutija, D. P. AC van der Pauw measurements of the electrical conductivity of iron-doped calcium titanate / D. P. Sutija, T. Norby, P.A. Osborg, P. Kofstad // Electrochemical Society Proceedings. 1993. — Vol. 93, N 4. — P. 552−557.
- Marion, S. Ionic and electronic conductivity in CaTii-xFex03-s (x = 0.1−0.3) / S. Marion, A. I. Becerro, T. Norby // Ionics. 1999. — Vol. 5, N 5−6. — P. 385−392.
- Дунюшкина, JI. А. Влияние кристаллической структуры на электрические свойства в системе CaTiixFex035 / JI. А. Дунюшкина, В. А. Горбунов // Неорганические материалы. 2001. — Т. 37, N 11. — С. 1364−1369.
- Bouwmeester, Н. J. М. Dense ceramic membranes for methane conversion / H. J. M. Bouwmeester // Catalysis Today. 2003. — Vol. 82, N 1−4. — P. 141−150.
- Balachandran, U. Defect structure of acceptor-doped calcium titanate at elevated temperatures / U. Balachandran, B. Odekirk, N. G. Eror // Journal of Materials Science.- 1982.-Vol. 17, N6.-P. 1656−1662.
- Ishihara, T. Improved oxide ion conductivity of Co doped Lao^Sro^Gao^Mgo^Cb perovskite type oxide / T. Ishihara, T. Akbay, H. Furutani, Y. Takita // Solid State Ionics 113−115 (1998) 585−591.
- Lybye, D. Conductivity of A- and B-site doped LaA103, LaGa03, LaSc03 and Laln03 perovskites / D. Lybye, F. W. Poulsen, M. Mogensen // Solid State Ionics 128 (2000) 91−103.
- Ishihara, T. Mixed electronic-oxide ionic conductivity and oxygen permeating property of Fe-, Co- or Ni-doped LaGa03 perovskite oxide / T. Ishihara, T. Yamada, H. Arikawa, H. Nishiguchi, Y. Takita // Solid State Ionics 135 (2000) 631−636.
- Lee, S. Oxygen-permeating property of LaSrBFe03 (B=Co, Ga) perovskite membrane surface-modified by LaSrCo03 / S. Lee, K. S. Leeb, S. K. Woo, J. W. Kim, T. Ishiharad, D. K. Kim // Solid State Ionics 158 (2003) 287- 296
- Ishihara, T. Novel fast oxide ion conductor and application for the electrolyte of solid oxide fuel cell / T. Ishihara, T. Shibayama, S. Ishikawa, K. Hosoi, H. Nishiguchi, Y. Takita // Journal of the European Ceramic Society 24 (2004) 1329−1335.
- Inaba H. Ceria-based solid electrolytes / H. Inaba, H. Tagawa // Solid State Ionics. 1996. — Vol. 83, N 1−2. — P. 1−16.
- Стрекаловский, В. H. Оксиды с примесной разупорядоченностью: Состав, структура, фазовые превращения / В. Н. Стрекаловский, Ю. М.
- Полежаев, С. Ф. Пальгуев- Отв. ред. А. Д. Неуймин- УрО АН СССР, Ин-т электрохимии. — М.: Наука, 1987. — 157 е.: ил.
- Figueiredo, F. М. Electron hole conductivity of gadolinia doped ceria / F. M. Figueiredo, F. M. B. Marques, J. R. Frade // Journal of the European Ceramic Society. 1999. — Vol. 19, N 6−7. — P. 807−810.
- Kleinlogel, С. M. Mixed Electronic-Ionic Conductivity of Cobalt Doped Cerium Gadolinium Oxide / С. M. Kleinlogel, L. J. Gauckler // Journal of Electroceramics. 2000. — Vol. 5, N 3. — P. 231−243.
- Kharton, V. V. Electrochemical properties of Pr-doped Ce (Gd)02−6 / V. V. Kharton, A. P. Viskup, F. M. Figueiredo, E. N. Naumovich, A. L. Shaulo and F. M.
- B. Marques // Materials Letters. 2002. — Vol. 53, N 3. — P. 160−164.
- Dirstine, R. T. Ionic Conductivity of Calcia, Yttria, and Rare Earth-Doped Cerium Dioxide / R. T. Dirstine, R. N. Blumenthal, T. F. Kuech // Journal of the Electrochemical Society. 1979. — Vol. 126, N 2. — P. 264−269.
- Hydrogen permeability in (Ce02)o.9(GdO 1.5)0.1 at high temperatures / Y. Nigara, K. Yashiro, T. Kawada, J. Mizusaki // Solid State Ionics. 2003. — Vol. 159, N 1−2.-P. 135−141.
- Inaba, H. Ceria-based solid electrolytes / H. Inaba, H. Tagawa // Solid State Ionics. 1996. — Vol. 83. — P. 1−16.
- Леонов, А. И. Высокотемпературная химия кислородных соединений церия / А. И. Леонов Л.: Наука, 1970. — 201 с.
- Steele, В. С. Н. Materials for IT-SOFC stacks: 35 years R&D: the inevitability of gradualness / В. С. H. Steele // Solid State Ionics. 2000. — Vol. 134, N 1−2.-P. 3−20.
- Steele, В. С. H. Appraisal of Ce^GdyOa-y/z electrolytes for IT-SOFC operation at 500 С / В. С. H. Steele // Solid State Ionics. 2000. — Vol. 129, N 1−4. -P. 95−110.
- Wang, S. Expansion Behavior of CejyGdyO2.0−0.5y-5 under Various Oxygen Partial Pressures Evaluated by HTXRD / S. Wang, M. Katsuki, T. Hashimoto, M. Dokiya // Journal of the Electrochemical Society. 2003. — Vol. 150, N 7. — P. A952-A958.
- Katsuki, M. The oxygen transport in Gd-doped ceria / M. Katsuki, S. Wang, K. Yasumoto, M. Dokiya // Solid State Ionics. 2002. — Vol. 154−155. — P. 589 595.
- Tschope, A. Grain size-dependent electrical conductivity of polycrystalline cerium oxide. II: Space charge model / A. Tschope // Solid State Ionics. — 2001. — Vol. 139, N 3−4. P. 267−280.
- Hibino, T. Electrochemical removal of NO in the presence of excess O2, H20 and C02 using Sm203-doped Ce02 as a solid electrolyte / T. Hibino, K. Ushiki, Y. Kuwahara, M. Mizuno // Solid State Ionics. 1996. — Vol. 89, N 1−2. — P. 13−16.
- Kawada, T. Ceria-Zirconia Composite Electrolyte for Solid Oxide Fuel Cells / T. Kawada, H. Yokokawa, M. Dokiya, N. Sakai, T. Horita, J. Van Herle, K. Sasaki // Journal of Electroceramics. 1997. — Vol. 1, N 2. — P. 155−164.
- Hatchwell, C. Fabrication and properties of Ceo.8Gdo.201.9 electrolyte-based tubular solid oxide fuel cells / C. Hatchwell, N. M. Sammes, I. W. M. Brown // Solid State Ionics. 1999. — Vol. 126, N 3−4. — P. 201−208.
- Minervini, L. Defect cluster formation in M203-doped Ce02 / L. Minervini, M. O. Zacate, R. W. Grimes // Solid State Ionics. 1999. — Vol. 116, N 3−4. — P. 339−349.
- Park, H. J. Oxygen permeability of gadolinium-doped ceria at high temperature / H. J. Park, G. M. Choi // Journal of the European Ceramic Society. -2004. Vol. 24, N 6. — P. 1313−1317.
- Yahiro, H. Electrical properties and reducibilities of ceria-rare earth oxide systems and their application to solid oxide fuel cell / H. Yahiro, K. Eguchi, H. Arai // Solid State Ionics. 1989. — Vol. 36, N 1−2. — P. 71−75.
- Torrens, R. S. Characterisation of (Ce02)o.s (GdO 1.5)0.2 synthesised using various techniques / R. S. Torrens, N. M. Sammes, G. A. Tompsett // Solid State Ionics. 1998. — Vol. 111, N 1−2. — P. 9−15.
- Mogensen, M. Physical Properties of Mixed Conductor Solid Oxide Fuel Cell Anodes of Doped Ce02 / M. Mogensen, T. Lindegaard, U. R. Hansen, G. Mogensen // Journal of the Electrochemical Society. 1994. — Vol. 141, N 8. — P. 2122−2128.
- Huang, K. Synthesis and Electrical Properties of Dense Ceo.9Gdo.1O1.95 Ceramics / K. Huang, M. Feng, J. B. Goodenough // Journal of the American Ceramic Society. 1998. — Vol. 81, N 2. — P. 357−362.
- Peng, C. Nitrate-citrate combustion synthesis and properties of Cet xSmx02-x/2 solid solutions / C. Peng, Y. Zhang, Z. W. Cheng, X. Cheng, J. Meng // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2002. — Vol. 13, N 12. — P. 757−762.
- Van Herle, J. Low temperature fabrication of (Y, Gd, Sm)-doped ceria electrolyte / J. Van Herle, T. Horita, T. Kawada, N. Sakai, H. Yokokawa, M. Dokiya // Solid State Ionics. 1996. — Vol. 86−88, Part 2. — P. 1255−1258.
- Zhang, T. Ionic conductivity in the Ce02-Gd203 system (0.05<0.4) prepared by oxalate coprecipitation / T. Zhang, P. Hing, H. Huang, J. Kilner // Solid State Ionics. 2002. — Vol. 148, N 3−4. — P. 567- 573.
- Perez-Coll, D. Conductivity of CGO and CSO ceramics obtained from freeze-dried precursors / D. Perez-Coll, P. Nunez, J. R. Frade, J. С. C. Abrantes // Electrochimica Acta. 2003. — Vol. 48, N 11. — P. 1551−1557.
- Zhang, T. Sintering and grain growth of CoO-doped Ce02 ceramics / T. Zhang, P. Hing, H. Huang, J. Kilner // Journal of the European Ceramic Society. -2002. Vol. 22, N 1. — P. 27−34.
- Zhang, Т. Sintering and densification behavior of Mn-doped СеОг / Т. Zhang, P. Hing, H. Huang, J. Kilner // Materials Science and Engineering B. — 2001.-Vol. 83, N1−3.-P. 235−241.
- Huang, W. Hydrothermal synthesis and properties of terbium- or praseodymium-doped Cei-xSmx02-x/2 solid solutions / W. Huang, P. Shuk, M. Greenblatt // Solid State Ionics. 1998. — Vol. 113−115. — P. 305−310.
- Hatchwell, C. Fabrication and properties of Ceo.8Gdo.2O1.9 electrolyte-based tubular solid oxide fuel cells / C. Hatchwell, N. M. Sammes, I. W. M. Brown // Solid State Ionics. 1999. — Vol. 126, N 3−4. — P. 201−208.
- Shemilt, J. E. Effect of plastic forming on the conductivity of a samaria-doped ceria electrolyte / J. E. Shemilt, C. L. Stanway, H. M. Williams // Solid State Ionics. 2000. — Vol. 134, N 1−2. — P. 111−117.
- Etsell, Т. H. Electrical properties of solid oxide electrolytes / Т. H. Etsell, S. N. Flengas // Chemical Reviews. 1970. — Vol. 70, N 3. — P. 339−376.
- Eguchi, K. Electrical properties of ceria-based oxides and their application to solid oxide fuel cell / K. Eguchi, T. Setoguchi, T. Inoue, H. Arai // Solid State Ionics. 1992. — Vol. 52. — P. 165−172.
- Chiou, B.-S. Electrical Behavior of Ceria-Stabilized Zirconia with Rare-Earth Oxide Additives / B.-S. Chiou, H.-T. Dai, J.-G. Duh // Journal of the American Ceramic Society. 1990. — Vol. 73, N 4. — P. 866−871.
- Mogensen, M. Physical, chemical and electrochemical properties of pure and doped ceria / M. Mogensen, N. M. Sammes, G. A. Tompsett // Solid State Ionics. 2000. — Vol. 129, N 1−4. — P. 63−94.101 http://geg.chem.usu.ru102 http://www.inpg.fr/LMGP
- Rietveld, H. M. A profile refinement method for nuclear and magnetic structures / H. M. Rietveld // Journal Applied Crystallography 1969. — Vol. 2, № 2.-P. 65−71.
- McCusker, L. В. Rietveld refinement guidelines / L. B. McCusker, R. B. Von Dreele, D. E. Cox, D. Louer, P. Scardi // Journal Applied Crystallography.1999.-Vol. 32.-P. 36−50.105 http://vv^ww.iucr.org/iucr-top/comm/cpd/html/reports.html
- Rodriges-Carvajal, J. The programs for Rietveld refinement / J. Rodriges-Carvajal // Physica B. 1993. — Vol. 192. — P. 55.
- Миркин, JI. И. Рентгеноструктурный анализ. Индицирование рентгенограмм / Л. И. Миркин М.: Наука, 1981. — 494 с.
- Уэллс, А. Структурная неорганическая химия / А. Уэллс. Москва: Мир, 1987.-Т. 2.- 694 с.
- Demin6 А. К. Transfer phenomena in an electrochemical reactor based on mixed oxide conductor / A. K. Demin, L. A. Dunyushkina // Solid State Ionics. —2000. Vol. 135, N 4. — P. 749−755.
- Rodriguez-Carvajal, J. Laboratoire Leon Brillouin, Saclay (CEA-CNRS). fttp. V/charybde.saclay.cea.fr/pub/divers/winplotr
- Shannon, R.D. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides / R.D. Shannon // Acta Cryst. 1976. A32. P.751−767
- Mendelson, M.I. Average Grain Size in Polycrystalline Ceramics / M.I. Mendelson // J. of The American Ceramic Society. 1969. V. 52. № 8. P. 443−446.
- Eror, N.G. On the Defect Structure of Calcium Titanate with Nonideal Cationic Ratio / N.G. Eror, U. Balachandran // Journal of Solid State Chemistry. -1982. Vol. 43, № 2. — P. 196−203.
- Dunyushkina, L.A. Electrical Conductivity of Iron-Doped Calcium Titanate / L.A. Dunyushkina, A.K. Demin and B.V. Zhuravlev // Solid State Ionics. -1999.-Vol. 116, № 1−2. -P.85−88.