Твердооксидный топливный элемент: конструкция + принцип действия

Твердооксидный топливный элемент: конструкция + принцип действия

Последние годы наблюдается активное продвижение экологически чистых технологий. Появились разные варианты выбора возобновляемых источников энергии, конструкции которых позволяют снизить расходы и несут социуму экологическую чистоту. Одним из таких многообещающих устройств выступает твердооксидный топливный элемент — ТОТЭ (SOFC — Solid Oxide Fuel Cell). Устройство ТОТЭ генерирует электроэнергию непосредственным окислением топлива (водорода). Преимущества элемента ТОТЭ:

  • высокая эффективность (60%),
  • долговечность,
  • низкая стоимость,
  • топливная гибкость,
  • практически нулевые выбросы загрязнений.

Что такое твердооксидный топливный элемент?

Устройство, способное вырабатывать электроэнергию непосредственно в момент окисления топлива (по принципу химической зависимости), именуется твердооксидным топливным элементом. Основными компонентами конструкции ТОТЭ выступают:

  • анод,
  • катод,
  • электролит.
Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ) - структурная схема
Структурная съема твердооксидного топливного элемента: 1 — водород из топлива; 2 — электрод (минус); 3 – электролит; 4 — электрод (плюс); 5 — кислород из воздуха; 6 — избыточный водород (подходит для повторного использования); 7 – вода; 8 — электрический ток в сеть

Последовательность процесса или как работает твердооксидный топливный элемент:

А) Водород поступает внутрь топливного элемента через анод.

Б) Химической реакцией анода разделяются атомы водорода на протоны — электроны.

В) Переход электронов в линию электрической цепи (генерация электричества).

Г) Протоны транспортируются сквозь электролит в область катода.

Д) Кислород поступает внутрь топливного элемента через катод.

Е) Проходит химическая реакция катода между протонами, электронами, кислородом, с последующим образованием воды и тепла.

Компоненты твердооксидного топливного элемента

На анодном компоненте ТОТЭ происходит электрохимическое окисление топливного газа в соответствии с химической формулой:

formula-1

Требования к анодному материалу конструкции отмечаются высокими параметрами. Наиболее важными из предъявляемых требований выделяются — выраженная электрическая проводимость и пористость структуры.

На катодном компоненте происходит электрохимическое восстановление кислорода, как демонстрирует следующая формула:

formula-2

Катодному материалу также предъявляются не менее жёсткие требования. В частности, обладание массой выраженных качеств, например:

  • выраженная электронная, ионная, кислородная проводимость,
  • химическая стабильность в широком диапазоне рабочих температур,
  • массовая доля пористости материала,
  • химическая совместимость с электролитом и т. д.

Электролит является тем компонентом твердооксидного топливного элемента, которым обеспечивается перенос ионов между электродами. Основными качествами электролита ТОТЭ являются высокая ионная и кислородная проводимость, плюс отсутствие фактора пористости. Обычно реакция внутри ячейки сопровождается производством тепла, воды, электричества, как показано следующей формулой:

formula-3

Электроны, собранные на аноде, перетекают в область катода через нагрузку. По сути имеет место обратная реакция электролиза воды. Электроды разделяются твёрдым электролитом, главная роль которого заключается в том, чтобы обеспечить миграцию ионов под действием создаваемого электрического поля.

Энергетическая эффективность твердооксидного топливного элемента

Технология твердооксидных топливных элементов привлекает высокое внимание учёных и специалистов по сравнению с другими технологиями подобного рода. Повышенное внимание объясняется различными преимуществами, особенно когда речь идёт о необходимости крайне низких вредных выбросов при высокой электрической эффективности. На картинке ниже показана зависимость эффективности и выходной мощности различных топливных элементов и электростанций на основе сжигания.

Графика зависимости эффективности и мощности топливных систем
Зависимость эффективности и мощности в графической интерпретации по отношению к различным видам генерации электричества, при использовании разных типов топлива

Судя по изображению, демонстрирующему зависимость эффективности и выходной мощности, явно видно, что электрический КПД топливных элементов относительно выше, чем у тех же электростанций, работающих при сжигании твёрдого топлива.

Линия синего цвета на графике явно показывает — эффективность топливных элементов составляет 50-60%. Если же объединить ТОТЭ совместно с гибридными системами газовых турбин, существует возможность получить эффективность выше 70%.

Конструктивные вариации ТОТЭ

Воспроизводимые твердооксидные топливные элементы поддерживают два основных типа конструкции:

  1. Планарная.
  2. Цилиндрическая.

Каждое исполнение предлагает разные технические характеристики. К примеру, цилиндрическая технология ТОТЭ видится наиболее простой в разработке. Таблица ниже показывает потенциальные характеристики обеих конструкций ТОТЭ, работающих при температуре 1000°C.

Конструкция ТОТЭ Разность потенциалов

(Джоуль/Кулон)

Плотность мощности, Вт/см2 Эффективность, %
Цилиндрическая 0,65 0,261 50
Планарная 0,8 0,318 61

Таблица чётко демонстрирует — планарная конструкция твердоксидного топливного элемента обеспечивает лучшую производительность по сравнению с цилиндрической системой. Однако планарную технологию достаточно трудно внедрять в связи с проблемами утечки по причине расширения материалов при высоких рабочих температурах.

Планарная структура ТОТЭ
Планарная структура ТОТЭ: 1,2 – топливо (водород); 3 – электрический ток; 4 – межкомпонентное соединение; 5 – анод; 6 – электрод; 7 – катод; 8 – воздух; 9 – межкомпонентное соединение; 10 — анод

Разность потенциалов источника питания — это электрическое давление, вызывающее электрический ток в цепи. Это работа, выполняемая на единицу заряда, когда заряженный объект перемещается между двумя точками, будучи в электрическом поле. Плотность мощности — это количество энергии на единицу объема. Формула разности электрических потенциалов ТОТЭ выглядит так:

V = W / Q, где: W – работа, Q – заряд.

Цилиндрическая структура ТОТЭ
Структура цилиндрической конструкции ТОТЭ: 1 – межкомпонентное соединение; 2 – электролит; 3 – воздушный электрод; 4 – воздушный поток; 5 – топливный (водородный) электрод; 6 – поток топлива (расход)

Компоненты цилиндрической конструкции изготовлены в виде полой трубы. Ячейка построена слоями вокруг трубчатого катода с воздухом, проходящим через внутреннюю часть трубки, и топливом, текущим вокруг внешней части трубки. Компоненты планарной конструкции изготавливаются в горизонтальных пакетах, причём воздух и топливо протекают через каналы, изготовленные в теле катода и анода.

Использование и установка ТОТЭ в реальных условиях

На картинке ниже показан концептуальный дизайн автомобиля, наделённого твердооксидным топливным элементом и компонентами. Основными компонентами выступают:

  • батарея,
  • водородный бак,
  • батарея топливных элементов,
  • силовой привод,
  • электродвигатель.
Концептуальный вариант автомобиля на ТОТЭ
Концептуальная версия конструкции автомобиля на ТОТЭ: 1 – мощный приводной блок управления электрической подачей; 2 – литий-ионная батарея для хранения электричества; 3 – привод электромотора, разгоняющий автомобиль; 4 – стёк твердооксидного топливного элемента, вырабатывающего электроэнергию; 5 – бак высокого давления для водорода

Структура компонентов твердооксидного топливного элемента

Планарная конструкция

Существуют основные категории планарных ячеек, которые являются самоподдерживающимися и поддерживаемыми извне. Самоподдерживающаяся структура — это когда один из компонентов выступает в качестве опоры ячейки (самый толстый слой). Конструкция самонесущего планарного элемента может быть:

  • анодной,
  • катодной,
  • электролитной.

Внешняя поддерживаемая структура — это когда единичная ячейка выполнена в виде тонких слоёв на пористой подложке межкомпонентного соединения.

Самонесущая конструкция

Структура на основе электролита: требуется толстый электролит, толщина которого составляет около 150 мкм. При этом оба материала электрода обладают одинаковой толщиной размерностью около 50 мкм. Структура с катодной поддержкой: требуется материал катода по размеру толщины около 2000 мкм, тонкий электролит с размером толщины около 20 мкм и материал анода с размером толщины около 50 мкм.

Структура на основе анода: требуется материал анода, размерность по толщине которого составляет от 500-1000 мкм. Вместе с тем необходим относительно тонкий по размерам электролит, толщиной не более 10 мкм. Толщина материала катода составляет около 50 мкм.

Внешняя поддерживающая структура

Для внешней поддерживающей структуры электроды обычно имеют размер 50 мкм, а толщина материала электролита ТОТЭ может составлять 5-15 мкм. Эта структура снижает массообменное сопротивление при использовании дорогих керамических материалов.

Несмотря на очевидные преимущества, трудности в данном варианте заключаются в том, чтобы найти смесь материалов и способ изготовления, при котором предотвращается коррозия и деформация металла. Также следует учитывать межфазные реакции на протяжении всего процесса изготовления и эксплуатации.

Структура анода

Обычно используемый материал анода представляет собой металлокерамический оксид циркония, стабилизированный иттрием, и никель. Никель используется главным образом из-за его высокой электронной проводимости, низкой реакционной способности с другими компонентами, низкой стоимости и высокой стабильности в химических реакциях.

Цирконий используется по причине высокой стабильности этого металла в восстановительных и окислительных средах (катод и анод ТОТЭ). Также известно, что цирконий поддерживает проводимость при высоких температурах и обладает хорошей химической и механической стабильностью.

Температура и пористость

Одним из недостатков использования ТОТЭ является отсутствие необходимой оптимальной пористости. Пористость важна, потому что увеличивает транспортировку газа через подложку, сохраняя высокое электрохимическое движение для окисления топлива на границе раздела анодов.

Чтобы сделать материал анода пористым, применяют технологию образования пор. Одним из веществ, выступающих в качестве сырья таких технологий, успешно выступает технический углерод. Эффект добавления углерода в структуру анода хорошо изучен, как изучена и связь между степенью пористости и рабочей температурой всей конструкции.

Заключение

Новая, пока что не сильно популярная технология — твердооксидный топливный элемент, активно изучается и тестируется в разных вариантах. Для изготовления ТОТЭ инженеры пробуют использовать разнообразные материалы, преследуя цель создания оптимальной конструкции. Есть преимущества и есть недостатки каждой отдельно взятой системы. Однако сама идея видится вполне интересной и перспективной, чтобы позволить затрачивать время на внедрение этой идеи.


При помощи информации: AUI


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *