Cietā oksīda kurināmā elementi (SOFC) darbojas temperatūrā, kas ir augstāka nekā kausēta karbonāta kurināmā elementi, ar darba temperatūru diapazonā no 800 līdz 1000 grādiem. Šāda veida kurināmā elementā elektromotora spēks rodas no dažādiem skābekļa daļējiem spiedieniem abās šūnas pusēs. Atsevišķa šūna sastāv no diviem elektrodiem (degvielas elektrods kā negatīvais elektrods un oksidētāja elektrods kā pozitīvais elektrods) un elektrolīta. Anoda un katoda galvenās funkcijas ir vadīt elektronus un nodrošināt difūzijas ceļus reakcijas gāzēm un produktu gāzēm.
Cietais elektrolīts atdala gāzes no abām pusēm. Sakarā ar atšķirīgo skābekļa parciālo spiedienu abās pusēs tiek radīts skābekļa ķīmiskais potenciāla gradients. Šī ķīmiskā potenciāla gradienta ietekmē skābekļa joni, kas ir ieguvuši elektronus pie katoda, caur cieto elektrolītu virzās uz anodu. Pie anoda tiek atbrīvoti elektroni, radot sprieguma potenciālu starp diviem poliem.
Cietā oksīda kurināmā elementi (SOFC) tiek reklamēti kā trešās paaudzes kurināmā elementi ar cietu, neporainu metāla oksīdu kā elektrolītu, caur kuru skābekļa joni pārvietojas kristālā, lai transportētu jonus. Tehnoloģija tagad ir sasniegusi nobriedušu stadiju. Tomēr, ņemot vērā ierobežoto materiālu skaitu, kas spēj darboties augstā temperatūrā, un to augstās izmaksas, notiek pāreja uz vidējas temperatūras kurināmā elementu izstrādi.
Princips
Kad cietā oksīda kurināmā elementi (SOFC) darbojas ar pārformāta gāzi (ūdeņraža un CO maisījumu) kā degvielu, kurināmā elementā notiek šāda reakcija:
Katodā skābekļa molekulas iegūst elektronus un tiek reducētas par skābekļa joniem, ti,
O2+4e−→2O2−
Potenciālu starpības un koncentrācijas virzošā spēka ietekmē abās elektrolīta membrānas pusēs skābekļa joni caur skābekļa vakancēm elektrolīta membrānā veic virzītu pāreju uz anoda pusi un iesaistās oksidācijas reakcijās ar degvielu, t.
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→ CO2+2e-
Kopējā reakcija:
H2+CO+O2→ CO2+H2O
sastāvs
Lai netraucēti izpildītu elektroenerģijas pārveidošanas funkciju, SOFC (cietā oksīda kurināmā elementa) skurstenī jāietver šādi komponenti:
(1) Elektroķīmiskās pārveidošanas ierīce, kas sastāv no cieta elektrolīta un katoda un anoda. No elektrolītu materiāliem visattīstītākais ir itrija stabilizētais cirkonijs.
(2) Degvielas pārveidotājs. Šajā ierīcē ir iekļauts katalizators, nesējs un konteiners. Tas pārvērš degvielu mazās gāzveida molekulās, piemēram, metānā, un ir novietots elementu skursteņa priekšējā galā, lai apmainītos ar siltumu, kas rodas kurināmā elementa darbības laikā.
(3) Gāzes un degvielas transportēšanas kanāli (vai gāzes sadalītāji). Metālus parasti izmanto kā cauruļvadu materiālus, lai nodrošinātu optimālu reaģentu difūziju un transportēšanu.
(4) Strāvas kolektori, kas pazīstami arī kā elektriskās sukas, parasti izgatavoti no metāliem vai materiāliem ar labu elektronisko vadītspēju, ir būtiski efektīvai vadītspējai.
(5) Sensori. Var izmantot dažādus komerciāli pieejamus sensorus, lai uzraudzītu šūnas temperatūru, strāvu, savienojumu veidus un izejas spriegumu.
(6) Termiskās kontroles ierīces, piemēram, izolācijas slāņi, dzesētāji, siltummaiņi un ventilācijas sistēmas.
(7) Metāla vai stikla keramikas korpuss. Tiek izmantoti materiāli, kas izmantojami istabas temperatūrā, piemēram, nerūsējošais tērauds 304. Iekšējam kontaktam ar SOFC ir nepieciešami augstas temperatūras izturīgi materiāli, padarot komerciālos metālu sakausējumus par labvēlīgiem ražošanas izmaksu samazināšanai.
Raksturlielumi
Cietā oksīda kurināmā elementi (SOFC) ir ideāls kurināmā elementu veids, kam piemīt ne tikai citu kurināmā elementu augsta efektivitāte un videi draudzīgas priekšrocības, bet arī šādas ievērojamas īpašības:
(1) SOFC ir pilnībā cieta struktūra, kas novērš korozijas problēmas un elektrolītu zuduma problēmas, kas saistītas ar šķidro elektrolītu izmantošanu, piedāvājot ilgtermiņa darbības potenciālu.
(2) Darbojoties temperatūrā no 800 līdz 1000 grādiem, SOFC ne tikai novērš nepieciešamību pēc dārgmetālu katalizatoriem, bet arī var tieši izmantot dabasgāzi, sintētisko gāzi un ogļūdeņražus kā degvielu, vienkāršojot kurināmā elementu sistēmu.
(3) SOFC izdala augstas temperatūras atkritumu siltumu, ko var izmantot kombinētos ciklos ar gāzturbīnām vai tvaika turbīnām, ievērojami uzlabojot kopējo elektroenerģijas ražošanas efektivitāti.
