Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC) działają w temperaturach wyższych niż ogniwa paliwowe ze stopionym węglanem, a temperatura robocza waha się od 800 do 1000 stopni. W tego typu ogniwach paliwowych siła elektromotoryczna pochodzi z różnych ciśnień cząstkowych tlenu po obu stronach ogniwa. Pojedyncze ogniwo składa się z dwóch elektrod (elektrody paliwowej jako elektrody ujemnej i elektrody utleniacza jako elektrody dodatniej) oraz elektrolitu. Główne funkcje anody i katody to przewodzenie elektronów i zapewnianie dróg dyfuzji dla gazów reakcyjnych i gazów powstałych w wyniku reakcji.
Stały elektrolit oddziela gazy po obu stronach. Ze względu na różne ciśnienia cząstkowe tlenu po obu stronach generowany jest gradient potencjału chemicznego tlenu. Pod wpływem tego gradientu potencjału chemicznego jony tlenu, które pozyskały elektrony na katodzie, przemieszczają się w kierunku anody poprzez stały elektrolit. Na anodzie uwalniane są elektrony, tworząc potencjał napięcia między dwoma biegunami.
Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC) są reklamowane jako ogniwa paliwowe trzeciej generacji, w których elektrolitem jest stały, nieporowaty tlenek metalu, przez który jony tlenu przemieszczają się w krysztale, transportując jony. Technologia osiągnęła już etap dojrzały. Jednak ze względu na ograniczoną liczbę materiałów zdolnych do pracy w wysokich temperaturach oraz ich wysoki koszt, następuje zwrot w kierunku rozwoju ogniw paliwowych średniotemperaturowych.
Zasada
Kiedy ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC) działają na bazie gazu reformowanego (mieszaniny wodoru i CO) jako paliwa, w ogniwie paliwowym zachodzi następująca reakcja:
Na katodzie cząsteczki tlenu zyskują elektrony i są redukowane do jonów tlenu, tj.
O2+4e−→2O2−
Pod wpływem różnicy potencjałów i siły napędowej stężenia po obu stronach membrany elektrolitu jony tlenu poprzez wakaty tlenowe w membranie elektrolitu przechodzą w kierunku ukierunkowanym na stronę anody i biorą udział w reakcjach utleniania z paliwem, tj.
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→KO2+2e-
Ogólna reakcja:
H2+CO+O2→KO2+H2O
skład
Aby sprawnie spełniać funkcję przetwarzania energii elektrycznej, stos SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) powinien składać się z następujących elementów:
(1) Urządzenie do konwersji elektrochemicznej składające się ze stałego elektrolitu oraz katody i anody. Spośród materiałów elektrolitowych najbardziej dojrzały jest tlenek cyrkonu stabilizowany itrem.
(2) Reformator paliwa. Urządzenie to zawiera katalizator, nośnik i pojemnik. Przekształca paliwo w małe cząsteczki gazowe, takie jak metan, i jest umieszczony na przednim końcu stosu ogniw w celu wymiany ciepła generowanego podczas pracy ogniwa paliwowego.
(3) Kanały transportu gazu i paliw (lub dystrybutorzy gazu). Metale są powszechnie stosowane jako materiały na przewody, aby zapewnić optymalną dyfuzję i transport reagentów.
(4) Odbieraki prądu, zwane także szczotkami elektrycznymi, zwykle wykonane z metali lub materiałów o dobrej przewodności elektronicznej, są niezbędne do skutecznego przewodzenia.
(5) Czujniki. Do monitorowania temperatury, prądu, rodzaju związków i napięcia wyjściowego ogniwa można zastosować różne dostępne na rynku czujniki.
(6) Urządzenia kontroli termicznej, takie jak warstwy izolacyjne, chłodnice, wymienniki ciepła i systemy wentylacyjne.
(7) Obudowa metalowa lub szklano-ceramiczna. Stosowane są materiały nadające się do stosowania w temperaturze pokojowej, takie jak stal nierdzewna 304. Do wewnętrznego kontaktu z SOFC wymagane są materiały odporne na wysoką temperaturę, dzięki czemu komercyjne stopy metali są korzystne z punktu widzenia obniżenia kosztów produkcji.
Charakterystyka
Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC) to idealny typ ogniw paliwowych, który nie tylko posiada wysoką wydajność i przyjazne dla środowiska zalety innych ogniw paliwowych, ale także charakteryzuje się następującymi wyróżniającymi się cechami:
(1) SOFC mają w pełni solidną strukturę, eliminującą problemy z korozją i problemy z utratą elektrolitu związane ze stosowaniem ciekłych elektrolitów, oferując potencjał długotrwałej pracy.
(2) Pracując w temperaturach od 800 do 1000 stopni, SOFC nie tylko eliminują potrzebę stosowania katalizatorów z metali szlachetnych, ale także mogą bezpośrednio wykorzystywać jako paliwo gaz ziemny, gaz syntezowy i węglowodory, upraszczając system ogniw paliwowych.
(3) SOFC uwalniają wysokotemperaturowe ciepło odpadowe, które można wykorzystać w cyklach kombinowanych z turbinami gazowymi lub parowymi, znacznie poprawiając ogólną efektywność wytwarzania energii.
