Твердооксидні паливні елементи (SOFC) працюють при температурах, вищих, ніж розплавлені карбонатні паливні елементи, з робочою температурою в діапазоні від 800 до 1000 градусів. У цьому типі паливних елементів електрорушійна сила виникає внаслідок різного парціального тиску кисню з обох сторін елемента. Окремий елемент складається з двох електродів (паливний електрод як негативний електрод і електрод окислювача як позитивний електрод) і електроліту. Основні функції анода та катода полягають у проведенні електронів і забезпеченні дифузійних шляхів для реакційних газів і газоподібних продуктів.
Твердий електроліт розділяє гази з обох сторін. Завдяки різному парціальному тиску кисню з обох сторін утворюється градієнт хімічного потенціалу кисню. Під впливом цього градієнта хімічного потенціалу іони кисню, які отримали електрони на катоді, рухаються до анода через твердий електроліт. На аноді вивільняються електрони, створюючи потенціал напруги між двома полюсами.
Твердооксидні паливні елементи (SOFC) рекламуються як третє покоління паливних елементів із твердим непористим оксидом металу як електролітом, через який іони кисню пересуваються всередині кристала для транспортування іонів. Зараз технологія досягла зрілої стадії. Однак через обмежену кількість матеріалів, здатних працювати при високих температурах, і їх високу вартість, спостерігається зсув у бік розробки середньотемпературних паливних елементів.
Принцип
Коли твердооксидні паливні елементи (SOFC) працюють з газом риформінгу (суміш водню та CO) як паливо, у паливному елементі відбувається така реакція:
На катоді молекули кисню отримують електрони і відновлюються до іонів кисню, тобто
O2+4e−→2O2−
Під дією рушійної сили різниці потенціалів і концентрації по обидві сторони мембрани електроліту іони кисню через кисневі вакансії в мембрані електроліту здійснюють спрямований перехід на бік анода і вступають в реакції окислення з паливом, тобто
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→ CO2+2e-
Загальна реакція:
H2+CO+O2→ CO2+H2O
композиція
Щоб плавно виконувати функцію перетворення електричної енергії, комірка SOFC (твердооксидних паливних елементів) повинна включати такі компоненти:
(1) Пристрій електрохімічного перетворення, що складається з твердого електроліту, а також катода та анода. Серед електролітних матеріалів найбільш зрілим є діоксид цирконію, стабілізований ітрієм.
(2) Паливний риформер. Цей пристрій містить каталізатор, носій і контейнер. Він перетворює паливо на малі газоподібні молекули, такі як метан, і розташований на передньому кінці комірки для обміну теплом, що виділяється під час роботи паливного елемента.
(3) Канали транспортування газу та палива (або газорозподільники). Метали зазвичай використовуються як матеріали для каналів для забезпечення оптимальної дифузії та транспортування реагентів.
(4) Струмоприймачі, також відомі як електричні щітки, зазвичай виготовлені з металів або матеріалів з хорошою електронною провідністю, необхідні для ефективної провідності.
(5) Датчики. Для моніторингу температури, струму, типів сполук і вихідної напруги елемента можна використовувати різні наявні у продажу датчики.
(6) Пристрої контролю температури, такі як ізоляційні шари, охолоджувачі, теплообмінники та системи вентиляції.
(7) Металевий або склокерамічний корпус. Використовуються матеріали, які можна використовувати при кімнатній температурі, наприклад нержавіюча сталь 304. Для внутрішнього контакту з ТОТЕ необхідні високотемпературні матеріали, що робить комерційні металеві сплави сприятливими для зниження виробничих витрат.
характеристики
Твердооксидні паливні елементи (SOFC) є ідеальним типом паливних елементів, які не тільки володіють високою ефективністю та екологічно чистими перевагами інших паливних елементів, але й мають такі визначні характеристики:
(1) SOFC мають повністю міцну структуру, що усуває проблеми корозії та проблеми втрати електроліту, пов’язані з використанням рідких електролітів, пропонуючи потенціал для тривалої роботи.
(2) Працюючи при температурах від 800 до 1000 градусів, SOFC не тільки усуває потребу в каталізаторах з дорогоцінних металів, але також може безпосередньо використовувати природний газ, синтетичний газ і вуглеводні як паливо, спрощуючи систему паливних елементів.
(3) ТОТЕ вивільняють високотемпературне відпрацьоване тепло, яке можна використовувати в комбінованих циклах з газовими або паровими турбінами, значно підвищуючи загальну ефективність виробництва електроенергії.
