Tahkeoksiidkütuseelemendid (SOFC) töötavad sulakarbonaadist kütuseelementidest kõrgematel temperatuuridel ning töötemperatuur on vahemikus 800–1000 kraadi. Seda tüüpi kütuseelementide puhul tuleneb elektromotoorjõud erinevatest hapniku osarõhkudest elemendi mõlemal küljel. Üksikelement koosneb kahest elektroodist (kütuseelektrood kui negatiivne elektrood ja oksüdeerija elektrood kui positiivne elektrood) ja elektrolüüdist. Anoodi ja katoodi põhifunktsioonid on elektronide juhtimine ning reaktsioonigaaside ja produktigaaside difusiooniteede tagamine.
Tahke elektrolüüt eraldab gaasid mõlemalt poolt. Erinevate hapniku osarõhkude tõttu mõlemal küljel tekib hapniku keemiline potentsiaalgradient. Selle keemilise potentsiaali gradiendi mõjul liiguvad katoodil elektrone saanud hapnikuioonid läbi tahke elektrolüüdi anoodi poole. Anoodil vabanevad elektronid, mis tekitavad kahe pooluse vahel pingepotentsiaali.
Tahkeoksiidkütuseelemente (SOFC) reklaamitakse kui kolmanda põlvkonna kütuseelemente, mille elektrolüüdiks on tahke, mittepoorne metalloksiid, mille kaudu hapnikuioonid kristallis ioone transportimiseks liiguvad. Tehnoloogia on nüüdseks jõudnud küpsesse faasi. Kuid kõrgel temperatuuril töötavate materjalide piiratud arvu ja nende kõrgete kulude tõttu on toimunud nihe keskmise temperatuuriga kütuseelementide väljatöötamise suunas.
Põhimõte
Kui tahke oksiidkütuseelemendid (SOFC) töötavad kütusena reformitud gaasiga (vesiniku ja CO segu), toimub kütuseelemendis järgmine reaktsioon:
Katoodil saavad hapniku molekulid elektrone ja redutseeritakse hapnikuioonideks, st.
O2+4e−→2O2−
Potentsiaalide erinevuse ja kontsentratsiooni liikumapaneva jõu mõjul elektrolüüdi membraani mõlemal küljel läbivad hapnikuioonid läbi elektrolüüdi membraani hapnikuvakantside suunatud ülemineku anoodipoolele ja osalevad kütusega oksüdatsioonireaktsioonides, st.
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→CO2+2e-
Üldine reaktsioon:
H2+CO+O2→CO2+H2O
koosseis
Elektrienergia muundamise funktsiooni sujuvaks täitmiseks peaks SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) korstn sisaldama järgmisi komponente:
(1) Elektrokeemiline muundusseade, mis koosneb tahkest elektrolüüdist ja nii katoodist kui ka anoodist. Elektrolüütmaterjalidest on ütriumiga stabiliseeritud tsirkooniumoksiid kõige küpsemalt arenenud.
(2) Kütuse reformija. See seade sisaldab katalüsaatorit, kandurit ja mahutit. See muudab kütuse väikesteks gaasilisteks molekulideks, näiteks metaaniks, ja paikneb elemendivirna esiotsas, et vahetada kütuseelemendi töö käigus tekkivat soojust.
(3) Gaasi ja kütuse transpordikanalid (või gaasijaotusseadmed). Metalle kasutatakse tavaliselt juhtmematerjalina, et tagada reagentide optimaalne difusioon ja transport.
(4) Voolukollektorid, tuntud ka kui elektriharjad, mis on tavaliselt valmistatud metallidest või hea elektroonilise juhtivusega materjalidest, on tõhusa juhtivuse tagamiseks olulised.
(5) Andurid. Elementi temperatuuri, voolu, ühenditüüpide ja väljundpinge jälgimiseks saab kasutada erinevaid müügilolevaid andureid.
(6) Soojusjuhtimisseadmed, nagu isolatsioonikihid, jahutid, soojusvahetid ja ventilatsioonisüsteemid.
(7) Metallist või klaaskeraamiline korpus. Kasutatakse toatemperatuuril kasutatavaid materjale, nagu roostevaba teras 304. Sisekontaktiks SOFC-ga on vaja kõrgele temperatuurile vastupidavaid materjale, mis muudab kaubanduslikud metallisulamid tootmiskulude vähendamiseks soodsaks.
Omadused
Tahkeoksiidkütuseelemendid (SOFC) on ideaalset tüüpi kütuseelemendid, millel pole mitte ainult teiste kütuseelementide kõrget efektiivsust ja keskkonnasõbralikke eeliseid, vaid ka järgmised silmapaistvad omadused:
(1) SOFC-del on täiesti tahke struktuur, mis välistab vedelate elektrolüütide kasutamisega seotud korrosiooniprobleemid ja elektrolüütide kadu, pakkudes potentsiaali pikaajaliseks tööks.
(2) Töötades temperatuurivahemikus 800–1000 kraadi, ei kaota SOFC-d mitte ainult vajadust väärismetallkatalüsaatorite järele, vaid võivad kütusena kasutada ka otse maagaasi, sünteesigaasi ja süsivesinikke, lihtsustades kütuseelemendisüsteemi.
(3) SOFC-d eraldavad kõrgtemperatuurset heitsoojust, mida saab kasutada kombineeritud tsüklites gaasiturbiinide või auruturbiinidega, parandades oluliselt üldist energiatootmise efektiivsust.
