Термодинамический цикл твердооксидного топливного элемента с внутренней конверсией метана в приближении полного преобразования в однонаправленных реакциях

Рассмотрены изобарно-изотермические процессы в топливном элементе с внутренней конверсией метана при использовании приращений термодинамических потенциалов – энтальпии и энергии Гиббса – в термодинамическом цикле с полным преобразованием в однонаправленных реакциях. Этот подход представляется наиболее простым для определения термодинамического или идеального термического КПД электрохимической реакции, он легко объясняет встречающиеся в литературе парадоксальные ситуации с КПД больше единицы. Показано, что твердооксидный топливный элемент на метане является примером устройства со сложным процессом, когда возникает необходимость идентификации электрохимической ступени для определения термодинамического КПД. В этом случае дополнительно можно определить идеальный электрический КПД в качестве критерия термодинамической эффективности прямого преобразования химической энергии метана в электричество. Данный критерий позволяет довольно объективно оценить термодинамическую эффективность топливного элемента с конверсией метана без рассмотрения всей энергетической установки с регенеративным подогревом топлива и окислителя и с блоком утилизации тепла. На примере исследования зависимости идеального электрического КПД топливного элемента на метане и воздухе от коэффициента избытка окислителя показана обязательность отделения этапа смешения топлива и окислителя от собственно электрохимической стадии для корректного термодинамического анализа многоступенчатого процесса в топливном элементе.