Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) opererer ved temperaturer høyere enn smeltet karbonat brenselceller, med en arbeidstemperatur som varierer fra 800 til 1000 grader. I denne typen brenselceller stammer den elektromotoriske kraften fra forskjellige oksygenpartialtrykk på begge sider av cellen. Den enkelte celle består av to elektroder (brenselelektroden som negativ elektrode og oksidantelektroden som positiv elektrode) og en elektrolytt. Hovedfunksjonene til anoden og katoden er å lede elektroner og gi diffusjonsveier for reaksjonsgasser og produktgasser.
Den faste elektrolytten skiller gassene på begge sider. På grunn av de forskjellige oksygenpartialtrykkene på begge sider, genereres en kjemisk potensialgradient av oksygen. Under påvirkning av denne kjemiske potensialgradienten beveger oksygenioner som har fått elektroner ved katoden, mot anoden gjennom den faste elektrolytten. Ved anoden frigjøres elektroner som skaper et spenningspotensial mellom de to polene.
Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) er utpekt som den tredje generasjonen brenselceller, med et fast, ikke-porøst metalloksid som elektrolytt, gjennom hvilken oksygenioner transporteres i krystallen for å transportere ioner. Teknologien har nå nådd et modent stadium. På grunn av det begrensede antallet materialer som er i stand til å operere ved høye temperaturer og deres høye kostnader, er det imidlertid et skifte mot utvikling av brenselceller med middels temperatur.
Prinsipp
Når Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) opererer med reformatgass (en blanding av hydrogen og CO) som drivstoff, skjer følgende reaksjon i brenselcellen:
Ved katoden får oksygenmolekyler elektroner og reduseres til oksygenioner, dvs.
O2+4e−→2O2−
Under påvirkning av potensialforskjellen og konsentrasjonsdrivkraften på begge sider av elektrolyttmembranen, gjennomgår oksygenioner, gjennom oksygenvakansene i elektrolyttmembranen, rettet overgang til anodesiden og deltar i oksidasjonsreaksjoner med brenselet, dvs.
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→CO2+2e-
Generell reaksjon:
H2+CO+O2→CO2+H2O
sammensetning
For jevnt å oppfylle funksjonen med å konvertere elektrisk energi, bør en SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)-stabel inneholde følgende komponenter:
(1) En elektrokjemisk konverteringsanordning som består av en fast elektrolytt og både katode og anode. Blant elektrolyttmaterialer er yttria-stabilisert zirkoniumoksid den mest modne utviklet.
(2) En drivstoffreformer. Denne enheten inkluderer en katalysator, en bærer og en beholder. Den konverterer drivstoffet til små gassformige molekyler, som metan, og er plassert i frontenden av cellestabelen for å utveksle varme som genereres under brenselcelledrift.
(3) Gass- og drivstofftransportkanaler (eller gassdistributører). Metaller brukes ofte som ledningsmaterialer for å sikre optimal diffusjon og transport av reaktanter.
(4) Strømkollektorer, også kjent som elektriske børster, vanligvis laget av metaller eller materialer med god elektronisk ledningsevne, er avgjørende for effektiv ledning.
(5) Sensorer. Ulike kommersielt tilgjengelige sensorer kan brukes til å overvåke temperatur, strøm, sammensatte typer og utgangsspenning til cellen.
(6) Termiske kontrollenheter, som isolasjonslag, kjølere, varmevekslere og ventilasjonssystemer.
(7) Metall- eller glasskeramisk hus. Materialer som kan brukes ved romtemperatur, slik som rustfritt stål 304, brukes. Høytemperaturbestandige materialer kreves for intern kontakt med SOFC, noe som gjør kommersielle metallegeringer gunstige for å redusere produksjonskostnadene.
Kjennetegn
Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) er en ideell type brenselcelle, som ikke bare har høy effektivitet og miljøvennlige fordeler til andre brenselceller, men har også følgende fremtredende egenskaper:
(1) SOFC-er har en helt solid struktur, og eliminerer korrosjonsproblemer og elektrolytttapsproblemer forbundet med bruk av flytende elektrolytter, noe som gir potensialet for langsiktig drift.
(2) Ved drift ved temperaturer mellom 800 og 1000 grader eliminerer SOFC ikke bare behovet for edelmetallkatalysatorer, men kan også direkte bruke naturgass, syngass og hydrokarboner som drivstoff, noe som forenkler brenselcellesystemet.
(3) SOFCer frigjør høytemperatur spillvarme, som kan brukes i kombinerte sykluser med gassturbiner eller dampturbiner, noe som forbedrer den totale kraftgenereringseffektiviteten betydelig.
