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

Принцип работы ТОТЭ

Опубликовано 05.09.2017

 

На рисунке 1 показан механизм протекающих в твердооксидном топливном элементе реакций на примере водорода и монооксида углерода в качестве топлива.

 

Рисунок 1 – Механизм реакций в топливном элементе с твердым электролитом

 

Перенос зарядов в твердых электролитах происходит следующим образом: на границе «катод – электролит» адсорбированные молекулы кислорода ионизируются за счет электронов, полученных из электрической цепи по реакции

0,5 О+ 2е = О2                                                         (1)

Образовавшиеся ионы встраиваются в кристаллическую решетку электролита и диффундируют в ней, обеспечивая ионную электропроводность [1].

На аноде адсорбированная и каталитически активированная молекула топлива, например, Н2 или СО, взаимодействует с ионом кислорода, поступающим из электролита, в результате чего образуются молекулы Н2О или СО2 и появляются свободные электроны

Н2 + О2 = Н2О + 2е;    СО + О2–  = СО2 + 2е                    (2)

Молекулы Н2О и СО2 переходят в газовую фазу, смешиваясь с еще непрореагировавшими СО и Н2, а электроны − в электрод и далее во внешнюю цепь. На границе «анод – электролит» происходит уменьшение количества ионов кислорода из-за окисления топлива. Это снижает парциальное давление кислорода со стороны анода, что приводит к возникновению в электролите диффузионного потока ионов кислорода от катода к аноду [1,2]. Таким образом, через твердый электролит протекает ионный ток, равный электронному току во внешней цепи [3].

Твердооксидный электролит для ионов кислорода становится достаточно проводимым при относительно высоких температурах – от 650 до 950 °С, именно этим обусловлено применение высоких температур в ТОТЭ. При такой рабочей температуре Н2О получается в виде пара, а давление в топливных элементах обычно не превышает нескольких атмосфер. Исходные реагенты и продукты реакции в первом приближении можно считать идеальными газами. ТОТЭ обычно работают при изобарно-изотермических условиях, при таких условиях работа равна убыли свободной энергии Гиббса. Максимальная работа, которую можно получить в топливном элементе, равна произведению ЭДС элемента на количество прошедшего заряда [1]:

G = Wp,T     и    Wэ.maxЕэqэ.

Образование одного моля продукта реакции соответствует протеканию через цепь количества электричества, равного произведению количества электронов на одну образовавшуюся молекулу n (qэ = nэF). Исходя из приведенных соображений, ЭДС идеального топливного элемента при разомкнутой электрической цепи можно записать в следующем виде:

Еэ = -ΔG /(nэ F),                                               (3)

где F = 9,648×104 Кл/моль – число Фарадея. Чтобы учесть влияние концентрационного состава топлива на входе в анодный канал топливного элемента, формулу (1.3) можно преобразовать [1]:

       

     (4)

 

где  – стандартная ЭДС элемента для токообразующих реакций [2]; – парциальные давления компонентов смеси;  – стехиометрический коэффициент компонента в реакции: положительные для образующихся компонентов, отрицательные у расходуемых; Т – абсолютная температура, К; R = 8,314 Дж/(моль·К); nэ – число электронов, участвующих в данной реакции, например, nэ = 2 в реакции (2).

 


 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. Коровин Н. А. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки. М.:  МЭИ, 2005. С. 280
  2.  Коровин Н. В. Топливные элементы. Химия. 1998
  3. Формирование многослойных структур твердооксидного топливного элемента / В. В. Иванов [и др.] // Альтернативная энергетика и экология. 2007. № 2(46). С. 75–88.
  4. Sorrentino M., Pianese C., Guezenne 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
Принцип работы ТОТЭ

Политика cookie

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

Вы согласны?