Использование твердооксидных топливных элементов как наиболее перспективный тип источников энергии

Аннотация. В данной статье рассматриваются некоторые преимущества твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), приводятся сравнительные работы по отношению с другими типами топливных элементов, а также их способность работать с обычным углеводородным топливом и высокопотенциальное тепло.

Введение. Предложение твердооксидных топливных элементов, это чистая технология с низким уровнем загрязнения электрохимически генерировать электричество с высокой эффективностью; поскольку их эффективность ограничена Циклом Карно для теплового двигателя [1-3].  Топливные элементы обеспечивают много преимуществ по сравнению с традиционными системами преобразования энергии в том числе их высокая эффективность, надежность, модульность, топливная адаптивность и очень низкий уровень выбросов NOx и SOx.  Тихая работа без вибрации ТОТЭ также обычно устраняет шум связано с обычной важностью системы генерации. Около шесть лет назад ТОТЭ разрабатывались для работы в основном в диапазоне температур от 900 до 1000^оС; в дополнение к возможности внутреннего разгарания углеводородного топлива (например, природный газ), такая высокая температура ТОТЭ обеспечивают выхлоп высокого качества тепло для когенерации и когда под давлением, может быть интегрирован газовая турбина для дальнейшего увеличения общей эффективности энергосистемы. Тем не менее, сокращение ТОТЭ рабочая температура на 200^oC или использование более широкого набораматериалы, менее требовательны к печатям и компоненты баланса растений, упрощает терморегулирование, вспомогательные средства быстрее запустить и остыть, и результаты для меньшей деградации клеток и компоненты стека. Из-за этих

преимущества, активность в развитии ТОТЭ, способных работать в диапазоне температур от 650 до 800 ° С резко возрос в последние нескольких лет. Тем не менее, при более низких температурах, кинетика проводимсоти в электролитах и электродах значительно снижается; в настоящее время для того чтобы преодолеть эти недостатки, тщательно расследуются альтернативные материалы и конструкции ячеек.

Топливные элементы.

ТОТЭ по существу состоит из двух пористых электродов, которые разделены плотным, оксид-ионопроводящий электролитом. Принцип работы такой ячейки показано на рис. 1.

Рисунок 1 – Принципиальная схема топливного элемента [1]

Кислород подается в катод (воздушный электрод) и реагирует с поступающимм электроном от внешнего схема для формирования оксидных ионов, которые мигрировать на анод (топливный электрод) через оксидную ионную проводимость электролита. На аноде оксидные ионы в сочетании с Н₂ (и / или СО) освобождая электроны в топливе образует H₂O (и / или CO₂). Электроны (электричество) течет от анода через внешняя цепь к катоду. Материалы для клеточных компонентов выбран на основе подходящего электрического проводящие свойства, требуемые от этих компоненты для выполнения их предназначеннго функции клетки; адекватный химический и структурная стабильность при высоких температурах встречаются во время работы ячейки а также во время изготовления клеток; минимальный реактивность и взаимная диффузия среди разных компонентов; и в соответствие с тепловыми расширениями разных компоненты.

Электролит представляет собой плотный слой керамики, который проводит ионы кислорода. Его электронная проводимость должна быть как можно ниже, чтобы предотвратить потери от токов утечки [4]. Высокие рабочие температуры ТОТЭ позволяют кинетике переноса ионов кислорода быть достаточными для хорошей производительности. Однако, когда рабочая температура приближается к нижнему пределу для ТОТЭ при температуре около 600° C, электролит начинает иметь большие сопротивления ионного переноса и влияет на производительность [4]. Популярные электролитические материалы включают, но не ограничиваются ими, диоксид циркония, стабилизированный иттрием (YSZ), диоксид циркония, стабилизированный скандией (ScSZ) (обычно 9 мол% Sc₂O₃ - 9ScSZ), и церий, допированный гадолинием (GDC) [5]. Материал электролита оказывает решающее влияние на характеристики элемента [6] барьеры диффузии церия, такие как феррит лития и стронция кобальта (LSCF), были обнаружены и могут быть предотвращены терапевтическими реакциями между электролитами ERS и современными катодами.

Заключение. Основные принципы работы топливного элемента могут быть несложными для иллюстрации. Но строить недорогие, эффективные, надежные топливные элементы - гораздо более сложный бизнес.

Ученые и изобретатели имеют различные типы и размеры топливных элементов, и технические характеристики каждого вида различны [7]. Многие из выбора разработчиков топливных элементов сталкиваются с выбором электролита. Конструкция электродов, например, и материалы, используемые для их изготовления, электролит. Сегодня основными типами электролитов являются щелочь, расплавленный карбонат, фосфорная кислота, протонообменная мембрана (PEM) и твердый оксид. Первые три жидких электролита; последние два солидны [8].

Каждый тип топливного элемента имеет преимущества и недостатки по сравнению с другими, и ни один из них еще не является доступным и достаточно эффективным для расширения мощности такой генерируемой энергии, такой как угольные, гидроэлектростанции или даже атомные электростанции.