Solid Oxide Fuel Cells (SOFC'er) fungerer ved temperaturer, der er højere end smeltede carbonatbrændselsceller, med en arbejdstemperatur på mellem 800 og 1000 grader. I denne type brændselscelle stammer den elektromotoriske kraft fra forskellige iltpartialtryk på begge sider af cellen. Den enkelte celle består af to elektroder (brændselselektroden som den negative elektrode og oxidantelektroden som den positive elektrode) og en elektrolyt. Anodens og katodens hovedfunktioner er at lede elektroner og tilvejebringe diffusionsveje for reaktionsgasser og produktgasser.
Den faste elektrolyt adskiller gasserne på begge sider. På grund af de forskellige iltpartialtryk på begge sider genereres en kemisk potentialgradient af ilt. Under påvirkning af denne kemiske potentialgradient bevæger oxygenioner, der har fået elektroner ved katoden, mod anoden gennem den faste elektrolyt. Ved anoden frigives elektroner, hvilket skaber et spændingspotentiale mellem de to poler.
Solid Oxide Fuel Cells (SOFC'er) udråbes som den tredje generation af brændselsceller med et fast, ikke-porøst metaloxid som elektrolyt, hvorigennem oxygenioner pendler i krystallen for at transportere ioner. Teknologien har nu nået et modent stadium. Men på grund af det begrænsede antal materialer, der er i stand til at fungere ved høje temperaturer, og deres høje omkostninger, er der et skift i retning af udvikling af mellemtemperaturbrændselsceller.
Princip
Når Solid Oxide Fuel Cells (SOFC'er) opererer med reformatgas (en blanding af brint og CO) som brændstof, sker følgende reaktion i brændselscellen:
Ved katoden får iltmolekyler elektroner og reduceres til iltioner, dvs.
O2+4e−→2O2−
Under påvirkning af potentialforskellen og koncentrationsdrivkraften på begge sider af elektrolytmembranen gennemgår oxygenioner, gennem iltvacuserne i elektrolytmembranen, en rettet overgang til anodesiden og indgår i oxidationsreaktioner med brændstoffet, dvs.
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→CO2+2e-
Samlet reaktion:
H2+CO+O2→CO2+H2O
sammensætning
For problemfrit at udføre funktionen med at konvertere elektrisk energi bør en SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)-stabel indeholde følgende komponenter:
(1) En elektrokemisk konverteringsanordning bestående af en fast elektrolyt og både katode og anode. Blandt elektrolytmaterialer er yttria-stabiliseret zirconia den mest modne udviklede.
(2) En brændstofreformer. Denne enhed omfatter en katalysator, en bærer og en beholder. Det omdanner brændstoffet til små gasformige molekyler, såsom metan, og er placeret i forenden af cellestablen for at udveksle varme, der genereres under brændselscelledrift.
(3) Gas- og brændstoftransportkanaler (eller gasdistributører). Metaller bruges almindeligvis som ledningsmaterialer for at sikre optimal diffusion og transport af reaktanter.
(4) Strømaftagere, også kendt som elektriske børster, typisk lavet af metaller eller materialer med god elektronisk ledningsevne, er afgørende for effektiv ledning.
(5) Sensorer. Forskellige kommercielt tilgængelige sensorer kan bruges til at overvåge cellens temperatur, strøm, sammensatte typer og udgangsspænding.
(6) Termiske kontrolanordninger, såsom isolerende lag, kølere, varmevekslere og ventilationssystemer.
(7) Metal- eller glaskeramikhus. Der anvendes materialer, der kan anvendes ved stuetemperatur, såsom rustfrit stål 304. Højtemperaturbestandige materialer er nødvendige for intern kontakt med SOFC, hvilket gør kommercielle metallegeringer gunstige til at reducere produktionsomkostningerne.
Egenskaber
Solid Oxide Fuel Cells (SOFC'er) er en ideel type brændselscelle, der ikke kun besidder den høje effektivitet og miljøvenlige fordele ved andre brændselsceller, men har også følgende fremtrædende egenskaber:
(1) SOFC'er har en fuldstændig solid struktur, der eliminerer korrosionsproblemer og elektrolyttabsproblemer forbundet med brugen af flydende elektrolytter, hvilket giver mulighed for langsigtet drift.
(2) Ved drift ved temperaturer mellem 800 og 1000 grader eliminerer SOFC'er ikke kun behovet for ædelmetalkatalysatorer, men kan også direkte bruge naturgas, syngas og kulbrinter som brændstof, hvilket forenkler brændselscellesystemet.
(3) SOFC'er frigiver spildvarme ved høj temperatur, som kan udnyttes i kombinerede cyklusser med gasturbiner eller dampturbiner, hvilket væsentligt forbedrer den samlede energiproduktionseffektivitet.
