Gorivne ćelije s čvrstim oksidom (SOFC) rade na temperaturama višim od rastaljenih karbonatnih gorivih ćelija, s radnom temperaturom u rasponu od 800 do 1000 stupnjeva. U ovoj vrsti gorive ćelije, elektromotorna sila proizlazi iz različitih parcijalnih tlakova kisika na obje strane ćelije. Pojedinačna ćelija sastoji se od dvije elektrode (elektrode goriva kao negativne elektrode i elektrode oksidansa kao pozitivne elektrode) i elektrolita. Glavne funkcije anode i katode su provođenje elektrona i osiguravanje difuzijskih putova za reakcijske plinove i produktne plinove.
Čvrsti elektrolit razdvaja plinove s obje strane. Zbog različitih parcijalnih tlakova kisika na obje strane, stvara se gradijent kemijskog potencijala kisika. Pod utjecajem ovog gradijenta kemijskog potencijala, ioni kisika koji su dobili elektrone na katodi kreću se prema anodi kroz čvrsti elektrolit. Na anodi se oslobađaju elektroni, stvarajući naponski potencijal između dva pola.
Gorive ćelije s čvrstim oksidom (SOFC) reklamiraju se kao treća generacija gorivih ćelija, s čvrstim, neporoznim metalnim oksidom kao elektrolitom, kroz koji se ioni kisika kreću unutar kristala za prijenos iona. Tehnologija je sada dosegla zrelu fazu. Međutim, zbog ograničenog broja materijala koji mogu raditi na visokim temperaturama i njihove visoke cijene, postoji pomak prema razvoju srednjetemperaturnih gorivih ćelija.
Načelo
Kada gorive ćelije s čvrstim oksidom (SOFC) rade s reformiranim plinom (mješavina vodika i CO) kao gorivom, unutar gorive ćelije dolazi do sljedeće reakcije:
Na katodi molekule kisika dobivaju elektrone i reduciraju se u ione kisika, tj.
O2+4e−→2O2−
Pod utjecajem razlike potencijala i pogonske sile koncentracije s obje strane membrane elektrolita, ioni kisika kroz prazna mjesta u membrani elektrolita prolaze kroz usmjereni prijelaz na stranu anode i stupaju u oksidacijske reakcije s gorivom, tj.
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→ CO2+2e-
Ukupna reakcija:
H2+CO+O2→ CO2+H2O
sastav
Kako bi neometano ispunjavao funkciju pretvaranja električne energije, SOFC (goriva ćelija s krutim oksidom) skup treba uključivati sljedeće komponente:
(1) Uređaj za elektrokemijsku pretvorbu koji se sastoji od čvrstog elektrolita i katode i anode. Među elektrolitskim materijalima, itrijem stabilizirani cirkonij je najzrelije razvijen.
(2) Reformator goriva. Ovaj uređaj uključuje katalizator, nosač i spremnik. Pretvara gorivo u male plinovite molekule, poput metana, i nalazi se na prednjem kraju sklopa ćelija za izmjenu topline koja se stvara tijekom rada gorivnih ćelija.
(3) Kanali za transport plina i goriva (ili razdjelnici plina). Metali se obično koriste kao materijali za vodove kako bi se osigurala optimalna difuzija i transport reaktanata.
(4) Sakupljači struje, također poznati kao električne četkice, obično izrađeni od metala ili materijala s dobrom elektronskom vodljivošću, ključni su za učinkovito provođenje.
(5) Senzori. Razni komercijalno dostupni senzori mogu se koristiti za praćenje temperature, struje, vrsta spojeva i izlaznog napona ćelije.
(6) Uređaji za kontrolu topline, kao što su izolacijski slojevi, hladnjaci, izmjenjivači topline i ventilacijski sustavi.
(7) Kućište od metala ili staklokeramike. Koriste se materijali koji se mogu koristiti na sobnoj temperaturi, kao što je nehrđajući čelik 304. Materijali otporni na visoke temperature potrebni su za unutarnji kontakt sa SOFC-om, što komercijalne metalne legure čini povoljnim za smanjenje troškova proizvodnje.
Karakteristike
Gorivne ćelije s krutim oksidom (SOFC) idealna su vrsta gorivih ćelija, ne samo da posjeduju visoku učinkovitost i ekološki prihvatljive prednosti drugih gorivih ćelija, već također imaju sljedeće istaknute karakteristike:
(1) SOFC imaju potpuno čvrstu strukturu, eliminirajući probleme s korozijom i gubitkom elektrolita povezane s upotrebom tekućih elektrolita, nudeći potencijal za dugotrajan rad.
(2) Radeći na temperaturama između 800 i 1000 stupnjeva, SOFC ne samo da eliminiraju potrebu za katalizatorima od plemenitih metala, već također mogu izravno koristiti prirodni plin, sintetički plin i ugljikovodike kao gorivo, pojednostavljujući sustav gorivih ćelija.
(3) SOFC oslobađaju otpadnu toplinu visoke temperature, koja se može iskoristiti u kombiniranim ciklusima s plinskim ili parnim turbinama, značajno poboljšavajući ukupnu učinkovitost proizvodnje električne energije.
