Миссия компании


повышение эффективности и безопасности энергетического оборудования клиентов, за счет внедрения инновационных технологических решений


Проекты и разработки


Технологии и проекты

подробнее


Новости


Новости компании и партнеров

подробнее


Сотрудничество


Предложение для разработчиков 

подробнее

Потери напряжения при работе твердооксидных топливных элементов

Опубликовано 08.12.2016

При эксплуатации энергетических установок на топливных элементах получаемое напряжение отличается от идеального на величину поляризационных потерь, которые состоят из четырех типов: активационных – hакт, омических – hом, концентрационных – hконц и компенсационных – [1]. Так как соединители и электроды являются изопотенциальными, то напряжение элемента постоянно по всей поверхности топливного элемента, и его можно записать в следующем виде:

 

Активационные потери  связаны с конечными скоростями полуреакций на границах «катод – электролит» и «электролит – анод» или, с точки зрения электрохимии, с поляризацией при переходе электрических зарядов через двойные электрические слои у соответствующих поверхностей [2-4].

Потери из-за омического сопротивления. Величина hом iRohm, где i – плотность тока, А/см2, а Rohm – удельное электрическое сопротивление элементов ТОТЭ, главным образом электролита [3; 4].

Концентрационные потери  определяются интенсивностью диффузии горючих элементов от поверхности пористого анода к электролиту, поскольку в этом процессе они переносят положительные заряды. Для оценки таких потерь требуется знать распределение концентраций компонентов не только во входящей топливной и воздушной смеси, но и по толщине анода и катода соответственно [2].

Также уже в собранной батарее присутствуют незначительные компенсационные потери, такие как падение напряжения на контактах, внутренний ток и утечки, которые суммарно равны  = 0,07 В [2; 5].

На рисунке 1.2 изображены перечисленные потери напряжения в ТОТЭ в зависимости от силы тока [6].

 

Рисунок 1.2 – Потери напряжения в ТОТЭ в зависимости от силы тока [6]

 

Из рисунка 1.2 видно, что при малых силах тока наиболее значительны активационные потери, а чем больше сила тока, тем больше становятся омические и концентрационные потери. Суммарные потери при эксплуатации можно снизить путем регулирования силы тока, чтобы работа ТОТЭ осуществлялась в зоне, где кривая ЭДС более полога, таким образом избегая как очень высоких значений силы тока, так и низких. В зависимости от силы тока суммарно потери могут составлять от 5 до 35 %.

Так как расчет потерь с учетом поляризаций предусматривает наличие ряда конструктивных и технологических параметров топливных элементов, что зачастую является коммерческой тайной разработчика, то для оценки напряжения ТОТЭ для заданных рабочих условий можно использовать метод линеаризации зависимости напряжения от плотности тока (вольт-амперной характеристики) [4; 7]. В этом случае напряжение равно , где ASR – area specific resistance (эквивалентное удельное сопротивление), которое интегрально учитывает все потери, возникающие при работе единичного элемента или батареи. Эквивалентное удельное сопротивление можно найти из вольт-амперной характеристики, используя следующее выражение [6; 8]:

Вольт-амперная характеристика не линейна, и эквивалентное удельное сопротивление можно считать постоянным лишь в некотором, достаточно узком диапазоне токов. При изменении параметров испытаний, таких как давление, температура, концентрация синтез-газа, требуется пересчитывать ASR. Кроме того, эквивалентное удельное сопротивление зависит от конструкции элемента, материалов, из которых он сделан, технологии изготовления, рабочих условий и от изменения свойств материалов во время работы.

 


Материал подготовлен к.т.н., Волковой Ю.В. по материалам работы: Волкова Ю.В. Разработка адаптированной к инженерной практике методики расчета энергетических характеристик установок на твердооксидных топливных элементах: дис. ... канд. техн. наук. УрФУ, Екатеринбург, 2016


 

Список источников: 

  1. Carter D. The last Analyst View from Fuel Cell Today [Электронный ресурс] // Fuelcelltoday: сайт. URL: http://www.fuelcelltoday.com/analysis/analyst-views/2014 (дата обращения: 22.09.16)
  2. Sorrentino M., Pianese C., Guezennec Y.G. A hierarchical modeling approach to the simulation and control of planar solid oxide fuel cells // Journal of Power Sources. 2008. Vol. 180. Pp. 280–392.
  3. Эткинс П. Физическая химия. Т. 2. М.: Мир, 1980. 584 c.
  4. Касилова Е. В. Расчетно-теоретическое исследование процессов переноса в твердооксидном топливном элементе: дис. … канд. техн. наук. М.: МЭИ, 2015.
  5. Chick L. A., Williford R. E., Stevenson J. W. Spreadsheet Model of SOFC Electrochemical Performance [Электронный ресурс]. URL: https://www.netl.doe.gov/publications/proceedings/03/seca-model/Chick8-29-03.pdf (дата обращения: 23.09.16).
  6. Thijssen J. Fuel Cell Handbook (Seventh Edition)). P.O. Box 880 Morgantown : EG&G Technical Services, Inc. US-Department of Energy, Office of Fossil Energy., 2004. P. 458.
  7. Некоторые вопросы электроэнергетики твердооксидных топливных элементов // Твердооксидные топливные элементы: сборник научно-технических статей. Снежинск : РФЯЦ-ВНИИТФ, 2003. С. 376.
  8. Baldinelli A., Barelli L., Bidini G. Performance characterization and modelling of syngas-fed SOFCs (solid oxide fuel cells) varying fuel composition // Energy Volume 90. 2015. Part 2. Pp. 2070–2084.
Потери напряжения при работе твердооксидных топливных элементов

Политика cookie

Этот сайт использует файлы cookie для хранения данных на вашем компьютере.

Вы согласны?