Οι κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου (SOFC) λειτουργούν σε θερμοκρασίες υψηλότερες από τις κυψέλες καυσίμου λιωμένου ανθρακικού, με θερμοκρασία λειτουργίας που κυμαίνεται από 800 έως 1000 βαθμούς. Σε αυτόν τον τύπο κυψελών καυσίμου, η ηλεκτροκινητική δύναμη προέρχεται από διαφορετικές μερικές πιέσεις οξυγόνου και στις δύο πλευρές της κυψέλης. Το μεμονωμένο στοιχείο αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια (το ηλεκτρόδιο καυσίμου ως αρνητικό ηλεκτρόδιο και το οξειδωτικό ηλεκτρόδιο ως θετικό ηλεκτρόδιο) και έναν ηλεκτρολύτη. Οι κύριες λειτουργίες της ανόδου και της καθόδου είναι να αγώγουν ηλεκτρόνια και να παρέχουν μονοπάτια διάχυσης για τα αέρια αντίδρασης και τα αέρια προϊόντος.
Ο στερεός ηλεκτρολύτης διαχωρίζει τα αέρια και στις δύο πλευρές. Λόγω των διαφορετικών μερικών πιέσεων οξυγόνου και στις δύο πλευρές, δημιουργείται μια χημική βαθμίδα δυναμικού οξυγόνου. Υπό την επίδραση αυτής της βαθμίδας χημικού δυναμικού, τα ιόντα οξυγόνου που έχουν αποκτήσει ηλεκτρόνια στην κάθοδο κινούνται προς την άνοδο μέσω του στερεού ηλεκτρολύτη. Στην άνοδο απελευθερώνονται ηλεκτρόνια, δημιουργώντας ένα δυναμικό τάσης μεταξύ των δύο πόλων.
Οι κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου (SOFC) διαφημίζονται ως η τρίτη γενιά κυψελών καυσίμου, με ένα στερεό, μη πορώδες οξείδιο μετάλλου ως ηλεκτρολύτη, μέσω του οποίου τα ιόντα οξυγόνου μεταφέρονται εντός του κρυστάλλου για να μεταφέρουν ιόντα. Η τεχνολογία έχει πλέον φτάσει σε ένα ώριμο στάδιο. Ωστόσο, λόγω του περιορισμένου αριθμού υλικών ικανών να λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες και του υψηλού κόστους τους, υπάρχει μια στροφή προς την ανάπτυξη κυψελών καυσίμου μέσης θερμοκρασίας.
Αρχή
Όταν οι κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου (SOFC) λειτουργούν με αναμορφωμένο αέριο (ένα μείγμα υδρογόνου και CO) ως καύσιμο, λαμβάνει χώρα η ακόλουθη αντίδραση εντός της κυψέλης καυσίμου:
Στην κάθοδο, τα μόρια οξυγόνου αποκτούν ηλεκτρόνια και ανάγονται σε ιόντα οξυγόνου, δηλ.
O2+4e−→2O2−
Υπό την επίδραση της διαφοράς δυναμικού και της κινητήριας δύναμης συγκέντρωσης και στις δύο πλευρές της μεμβράνης του ηλεκτρολύτη, τα ιόντα οξυγόνου, μέσω των κενών κενού οξυγόνου στη μεμβράνη του ηλεκτρολύτη, υφίστανται κατευθυνόμενη μετάβαση στην πλευρά της ανόδου και εμπλέκονται σε αντιδράσεις οξείδωσης με το καύσιμο, π.
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→ CO2+2e-
Συνολική αντίδραση:
H2+CO+O2→ CO2+H2O
σύνθεση
Για να εκπληρώσει ομαλά τη λειτουργία της μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας, μια στοίβα SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) θα πρέπει να περιλαμβάνει τα ακόλουθα εξαρτήματα:
(1) Συσκευή ηλεκτροχημικής μετατροπής που αποτελείται από στερεό ηλεκτρολύτη και από κάθοδο και άνοδο. Μεταξύ των υλικών ηλεκτρολυτών, το ζιρκόνιο σταθεροποιημένο με ύττρια είναι το πιο ώριμο.
(2) Ένας αναμορφωτής καυσίμου. Αυτή η συσκευή περιλαμβάνει έναν καταλύτη, έναν φορέα και ένα δοχείο. Μετατρέπει το καύσιμο σε μικρά αέρια μόρια, όπως το μεθάνιο, και τοποθετείται στο μπροστινό άκρο της στοίβας κυψελών για την ανταλλαγή θερμότητας που παράγεται κατά τη λειτουργία της κυψέλης καυσίμου.
(3) Κανάλια μεταφοράς αερίου και καυσίμων (ή διανομείς αερίου). Τα μέταλλα χρησιμοποιούνται συνήθως ως υλικά αγωγών για την εξασφάλιση της βέλτιστης διάχυσης και μεταφοράς των αντιδρώντων.
(4) Οι συλλέκτες ρεύματος, γνωστοί και ως ηλεκτρικές βούρτσες, συνήθως κατασκευασμένοι από μέταλλα ή υλικά με καλή ηλεκτρονική αγωγιμότητα, είναι απαραίτητοι για αποτελεσματική αγωγιμότητα.
(5) Αισθητήρες. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφοροι εμπορικά διαθέσιμοι αισθητήρες για την παρακολούθηση της θερμοκρασίας, του ρεύματος, των τύπων ένωσης και της τάσης εξόδου του στοιχείου.
(6) Συσκευές θερμικού ελέγχου, όπως μονωτικά στρώματα, ψύκτες, εναλλάκτες θερμότητας και συστήματα εξαερισμού.
(7) Μεταλλικό ή υαλοκεραμικό περίβλημα. Χρησιμοποιούνται υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε θερμοκρασία δωματίου, όπως ο ανοξείδωτος χάλυβας 304. Για την εσωτερική επαφή με το SOFC απαιτούνται υλικά ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες, καθιστώντας τα εμπορικά κράματα μετάλλων ευνοϊκά για τη μείωση του κόστους κατασκευής.
Χαρακτηριστικά
Οι κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου (SOFCs) είναι ένας ιδανικός τύπος κυψελών καυσίμου, που όχι μόνο διαθέτει την υψηλή απόδοση και τα φιλικά προς το περιβάλλον πλεονεκτήματα άλλων κυψελών καυσίμου, αλλά και τα ακόλουθα εξέχοντα χαρακτηριστικά:
(1) Τα SOFC έχουν μια πλήρως στερεή δομή, εξαλείφοντας τα προβλήματα διάβρωσης και απώλειας ηλεκτρολυτών που σχετίζονται με τη χρήση υγρών ηλεκτρολυτών, προσφέροντας τη δυνατότητα για μακροχρόνια λειτουργία.
(2) Λειτουργώντας σε θερμοκρασίες μεταξύ 800 και 1000 βαθμών, τα SOFC όχι μόνο εξαλείφουν την ανάγκη για καταλύτες πολύτιμων μετάλλων αλλά μπορούν επίσης να χρησιμοποιήσουν απευθείας φυσικό αέριο, αέριο σύνθεσης και υδρογονάνθρακες ως καύσιμο, απλοποιώντας το σύστημα κυψελών καυσίμου.
(3) Τα SOFC απελευθερώνουν απορριπτόμενη θερμότητα υψηλής θερμοκρασίας, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμένους κύκλους με αεριοστρόβιλους ή ατμοστρόβιλους, βελτιώνοντας σημαντικά τη συνολική απόδοση παραγωγής ενέργειας.
