Kietojo oksido kuro elementai (SOFC) veikia aukštesnėje temperatūroje nei išlydyto karbonato kuro elementai, kurių darbinė temperatūra svyruoja nuo 800 iki 1000 laipsnių. Šio tipo kuro elementuose elektrovaros jėga atsiranda dėl skirtingo deguonies dalinio slėgio abiejose elemento pusėse. Atskiras elementas susideda iš dviejų elektrodų (kuro elektrodas yra neigiamas elektrodas ir oksidatoriaus elektrodas kaip teigiamas elektrodas) ir elektrolito. Pagrindinės anodo ir katodo funkcijos yra elektronų laidumas ir reakcijos dujų bei produktų dujų difuzijos takų užtikrinimas.
Kietas elektrolitas atskiria dujas iš abiejų pusių. Dėl skirtingo deguonies dalinio slėgio abiejose pusėse susidaro cheminis deguonies potencialo gradientas. Šio cheminio potencialo gradiento įtakoje deguonies jonai, įgiję elektronus prie katodo, per kietąjį elektrolitą juda link anodo. Prie anodo išleidžiami elektronai, sukuriantys įtampos potencialą tarp dviejų polių.
Kietojo oksido kuro elementai (SOFC) yra vadinami trečios kartos kuro elementais, kurių elektrolitas yra kietas, neakytas metalo oksidas, per kurį deguonies jonai juda kristale, kad perneštų jonus. Dabar technologija pasiekė brandžią stadiją. Tačiau dėl riboto medžiagų, galinčių veikti aukštoje temperatūroje, skaičiaus ir jų didelių sąnaudų, pereinama prie vidutinės temperatūros kuro elementų kūrimo.
Principas
Kai kietojo oksido kuro elementai (SOFC) veikia kaip kuro perdirbtos dujos (vandenilio ir CO mišinys), kuro elemente įvyksta tokia reakcija:
Prie katodo deguonies molekulės įgyja elektronus ir redukuojamos į deguonies jonus, t.
O2+4e−→2O2−
Veikiant potencialų skirtumui ir koncentracijos varomajai jėgai abiejose elektrolito membranos pusėse, deguonies jonai per elektrolito membranoje esančias laisvas deguonies vietas pereina kryptingai į anodo pusę ir dalyvauja oksidacijos reakcijose su kuru, t.
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→ CO2+2e-
Bendra reakcija:
H2+CO+O2→ CO2+H2O
kompozicija
Kad būtų galima sklandžiai atlikti elektros energijos konvertavimo funkciją, SOFC (kietojo oksido kuro elemento) kaminą turi sudaryti šie komponentai:
(1) Elektrocheminis konversijos įtaisas, sudarytas iš kieto elektrolito ir katodo bei anodo. Iš elektrolitinių medžiagų labiausiai išvystytas itrio stabilizuotas cirkonis.
(2) Kuro reformatorius. Šį įrenginį sudaro katalizatorius, laikiklis ir talpykla. Jis paverčia kurą į mažas dujines molekules, tokias kaip metanas, ir yra elementų kamino priekinėje dalyje, kad keistųsi kuro elementų veikimo metu susidariusia šiluma.
(3) Dujų ir kuro transportavimo kanalai (arba dujų skirstytuvai). Metalai dažniausiai naudojami kaip vamzdžių medžiagos, užtikrinančios optimalią reagentų difuziją ir transportavimą.
(4) Srovės rinktuvai, taip pat žinomi kaip elektriniai šepečiai, paprastai pagaminti iš metalų arba medžiagų, turinčių gerą elektroninį laidumą, yra būtini efektyviam laidumui užtikrinti.
(5) Jutikliai. Celės temperatūrai, srovei, junginių rūšims ir išėjimo įtampai stebėti gali būti naudojami įvairūs parduodami jutikliai.
(6) Šiluminio valdymo įtaisai, tokie kaip izoliaciniai sluoksniai, aušintuvai, šilumokaičiai ir vėdinimo sistemos.
(7) Metalinis arba stiklo keramikos korpusas. Naudojamos medžiagos, tinkamos naudoti kambario temperatūroje, pvz., nerūdijantis plienas 304. Vidiniam sąlyčiui su SOFC reikalingos aukštai temperatūrai atsparios medžiagos, todėl komerciniai metalų lydiniai yra palankūs gamybos sąnaudoms sumažinti.
Charakteristikos
Kietojo oksido kuro elementai (SOFC) yra idealus kuro elementų tipas, pasižymintis ne tik dideliu efektyvumu ir aplinkai nekenksmingais kitų kuro elementų pranašumais, bet ir šiomis svarbiomis savybėmis:
(1) SOFC yra visiškai kietos struktūros, pašalinančios korozijos ir elektrolitų praradimo problemas, susijusias su skystų elektrolitų naudojimu, todėl galimas ilgalaikis veikimas.
(2) Veikdami 800–1000 laipsnių temperatūroje, SOFC ne tik pašalina tauriųjų metalų katalizatorių poreikį, bet ir gali tiesiogiai naudoti gamtines dujas, sintetines dujas ir angliavandenilius kaip kurą, supaprastindama kuro elementų sistemą.
(3) SOFC išskiria aukštos temperatūros atliekų šilumą, kurią galima panaudoti kombinuotuose cikluose su dujų turbinomis arba garo turbinomis, o tai žymiai pagerina bendrą energijos gamybos efektyvumą.
