Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) работают при температурах выше, чем топливные элементы с расплавленным карбонатом, при рабочей температуре от 800 до 1000 градусов. В топливном элементе этого типа электродвижущая сила возникает из-за разного парциального давления кислорода на обеих сторонах элемента. Отдельный элемент состоит из двух электродов (топливный электрод в качестве отрицательного электрода и окислительный электрод в качестве положительного электрода) и электролита. Основными функциями анода и катода являются проведение электронов и обеспечение путей диффузии реакционных и продуктовых газов.
Твердый электролит разделяет газы с обеих сторон. Из-за разного парциального давления кислорода с обеих сторон создается градиент химического потенциала кислорода. Под влиянием этого градиента химического потенциала ионы кислорода, захватившие электроны на катоде, движутся к аноду через твердый электролит. На аноде высвобождаются электроны, создавая потенциал напряжения между двумя полюсами.
Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) рекламируются как третье поколение топливных элементов с твердым непористым оксидом металла в качестве электролита, через который ионы кислорода перемещаются внутри кристалла для транспортировки ионов. Сейчас технология достигла зрелой стадии. Однако из-за ограниченности количества материалов, способных работать при высоких температурах, и их высокой стоимости наблюдается сдвиг в сторону разработки среднетемпературных топливных элементов.
Принцип
Когда твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) работают с газом риформинга (смесь водорода и CO) в качестве топлива, внутри топливного элемента происходит следующая реакция:
На катоде молекулы кислорода присоединяют электроны и восстанавливаются до ионов кислорода, т. е.
O2+4e−→2O2−
Под действием разности потенциалов и концентрационной движущей силы по обе стороны электролитной мембраны ионы кислорода через кислородные вакансии в электролитной мембране претерпевают направленный переход на анодную сторону и вступают в реакции окисления с топливом, т. е.
H2+O2-→H2O+2e-
СО+О2-→КО2+2e-
Общая реакция:
H2+СО+О2→КО2+H2O
композиция
Для бесперебойного выполнения функции преобразования электрической энергии блок ТОТЭ (твердооксидных топливных элементов) должен включать в себя следующие компоненты:
(1) Устройство электрохимического преобразования, состоящее из твердого электролита, катода и анода. Среди электролитных материалов наиболее развитым является диоксид циркония, стабилизированный иттрием.
(2) Установка для реформинга топлива. Это устройство включает катализатор, носитель и контейнер. Он преобразует топливо в небольшие газообразные молекулы, такие как метан, и расположен в передней части пакета элементов для обмена тепла, выделяющегося во время работы топливного элемента.
(3) Каналы транспортировки газа и топлива (или газораспределители). Металлы обычно используются в качестве материалов трубопроводов для обеспечения оптимальной диффузии и транспортировки реагентов.
(4) Токосъемники, также известные как электрические щетки, обычно изготовленные из металлов или материалов с хорошей электронной проводимостью, необходимы для эффективной проводимости.
(5) Датчики. Для контроля температуры, тока, типов соединений и выходного напряжения элемента можно использовать различные коммерчески доступные датчики.
(6) Устройства терморегулирования, такие как изоляционные слои, охладители, теплообменники и системы вентиляции.
(7) Металлический или стеклокерамический корпус. Используются материалы, пригодные для использования при комнатной температуре, такие как нержавеющая сталь 304. Для внутреннего контакта с ТОТЭ необходимы жаростойкие материалы, что делает использование коммерческих металлических сплавов выгодным для снижения производственных затрат.
Характеристики
Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) представляют собой идеальный тип топливного элемента, который не только обладает высокой эффективностью и экологическими преимуществами других топливных элементов, но также обладает следующими выдающимися характеристиками:
(1) ТОТЭ имеют полностью прочную структуру, исключающую проблемы коррозии и потери электролита, связанные с использованием жидких электролитов, что обеспечивает возможность длительной эксплуатации.
(2) Работая при температурах от 800 до 1000 градусов, ТОТЭ не только устраняют необходимость в катализаторах из драгоценных металлов, но также могут напрямую использовать природный газ, синтез-газ и углеводороды в качестве топлива, упрощая систему топливных элементов.
(3) ТОТЭ выделяют высокотемпературное отходящее тепло, которое можно использовать в комбинированных циклах с газовыми или паровыми турбинами, что значительно повышает общую эффективность выработки электроэнергии.
