Твердотельные оксидные топливные элементы (sofc)

Т вердотельные оксидные топливные элементы

отличаются простотой конструкции (Рис. 2), но работают при

температурах - 700-1000 °C. Такие высокие температуры позволяют использовать относительно «грязное», неочищенное топливо.

Эти особенности позволяют их использовать как крупные источники электрической энергии.

Рис. 2. Схема устройства SOFC.

В SOFC применяется керамический электролит на основе оксида циркония (ZrO₂), стабилизированного оксидом иттрия (Y₂O₃). На катоде происходит электрохимическая реакция с образованием отрицательно заряженных ионов кислорода:

O₂ + 4e = 2O^2–

Отрицательно заряженные ионы кислорода движутся в электролите по направлению от катода к аноду, где происходит окисление топлива (обычно — смеси водорода с монооксидом углерода с образованием воды и углекислого газа):

H₂ + O^2– = H₂O + 2e^– CO + O^2– = CO₂ + 2e^–

Первые опытные образцы ТОТЭ

были созданы в конце 1950-х годов

рядом американских и голландских компаний.

Большинство этих компаний вскоре отказались

от дальнейших исследований из-за технологических трудностей,

однако одна из них, «Westinghouse Electric Corp.»

(сейчас «Siemens Westinghouse Power Corporation»),

продолжила работы. В настоящее время эта компания

принимает предварительные заказы на коммерческую модель ТОТЭ

трубчатой топологии, появление которой ожидается в этом году.

ТОТЭ продемонстрировали очень высокую надежность.

Например, прототип топливного элемента производства «Siemens Westinghouse» наработал 16 600 часов и продолжает работать,

что стало самым длительным непрерывным сроком

эксплуатации топливного элемента в мире.

Компоненты SOFC обладают более высокой химической стабильностью,

анод, катод и электролит изготовлены

из специальных сортов керамики.

Электролит образует кристаллическую решетку,

покрытую с обеих сторон пористым электродным материалом.

Конструктивно такие элементы выполняются в виде трубок.

В результате ТОТЭ могут работать при очень высоких температурах,

поэтому их выгодно использовать для производства

электрической и тепловой энергии.

В таблице представлены сравнительные характеристики ТПТЭ и ТОТЭ.

Тип элемента	Рабочие темпера-туры, °С	КПД , %		Используемые реагенты		Применение
		элек-трич.	сумм.	топливо	окисли-тель
Твердо-полимерныеТЭ  (ТПТЭ).	30–160	до 40	50–70	водород, метанол, и др.	воздух	спецтехника, электромобили, портативная аппаратура, децентрал.энерго-снабжение
Твердо-оксидныеТЭ  (ТОТЭ).	700–1000	50–60	70–80	метан, продукты конверсии углеводо-родов, биогаз	воздух	стационарные и мобильные источники электро- и теплоснабжения,

В качестве электролита в ТПТЭ используется

твердая полимерная мембрана с протонной проводимостью

(Proton Exchange Membrane, PEM).

Неподвижный твердый электролит

упрощает герметизацию в процессе производства,

уменьшает коррозию, и обеспечивает

более долгий срок службы топливного элемента.

В ТПТЭ в качестве катализатора в них используется

платина и ее сплавы, осажденные на углеродном носителе.

Работают при относительно низких температурах,

что значительно расширяет область их применения.

В ТОТЭ в качестве электролита используется

керамический материал с кислородоионной проводимостью.

Электроды не содержат дорогостоящих металлов.

ТОТЭ работают при температурах 600 - 1000°C,

что позволяет использовать относительно

загрязненные виды топлива, например,

получаемые при газификации угля.

На данный момент из известных топливных элементов

наибольшее распространение и применение в области стационарных систем нашли ТПТЭ, MCFC и ТОТЭ.