Что такое твердооксидный топливный элемент?

Что такое твердооксидный топливный элемент?

Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ) — это топливный элемент, который работает при высоких температурах и использует твердый электролит для облегчения электрохимического преобразования водорода или оксида углерода и кислорода в электричество.

Применение твердооксидных топливных элементов

ТОТЭ имеют два основных применения:

1. Распределенная генерация электроэнергии

Это подразумевает генерацию энергии вблизи точки использования. SOFC идеально подходят для этой цели из-за их высокой эффективности и низкого уровня выбросов. Они используются как в промышленных условиях, таких как заводы и коммерческие здания для самостоятельной выработки энергии и когенерации, так и в жилых районах для локальной выработки энергии и горячего водоснабжения.

2. Водородное общество

Представляя общество, в котором водород является основным источником энергии, SOFC вносят свой вклад как путем производства водорода посредством высокотемпературного парового риформинга или разложения CO2, так и путем непосредственного использования водорода в качестве топлива.

Принцип работы твердооксидных топливных элементов

SOFC генерируют энергию посредством следующих процессов:

1. Топливный электрод

Водородное или оксид углерода топливо реагирует с ионами кислорода из воздушного электрода, производя воду, углекислый газ и электроны. Реакции для водорода и оксида углерода следующие:

Водород: ( H_2 + O^{2-} rightarrow H_2O + 2e^- )
Оксид углерода: ( CO + O^{2-} rightarrow CO_2 + 2e^- )

2. Воздушный электрод

Кислород из воздуха принимает электроны, чтобы стать ионами кислорода (( O_2 + 4e^- rightarrow 2O^{2-} )).

3. Электролит

Ионы кислорода проходят через электролит от воздушного электрода к топливному электроду, требуя высоких рабочих температур для эффективной ионной проводимости.

4. Внешние цепи

Электроны проходят через внешние цепи, генерируя электрическую энергию, прежде чем вернуться к воздушному электроду.

Структура твердооксидных топливных элементов

ТОТЭ включают в себя следующие компоненты:

1. Электролит

Тонкий керамический слой твердых оксидов, таких как цирконий, действующий как проводник ионов.

2. Электрод

Металлические или керамические слои по обе стороны от электролита, служащие местами для электрохимических реакций. Никель и оксиды типа перовскита являются распространенными материалами.

3. Интерконнектор

Компонент, который электрически соединяет электроды и разделяет потоки газа, часто изготавливается из оксидов и сплавов металлов.

Другая информация о твердооксидных топливных элементах

Преимущества твердооксидных топливных элементов

ТОТЭ обеспечивают высокую эффективность генерации электроэнергии (от 50% до 60%), практически незначительные выбросы и возможность использовать в качестве топлива различные водородосодержащие газы. Их возможности когенерации еще больше повышают их эффективность.

Недостатки твердооксидных топливных элементов

Высокие рабочие температуры твердооксидных топливных элементов создают такие проблемы, как более длительное время запуска, потенциальный износ компонентов и более высокие затраты из-за необходимости использования долговечных материалов и сложных производственных процессов.