Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) arbetar vid temperaturer högre än smälta karbonatbränsleceller, med en arbetstemperatur som sträcker sig från 800 till 1000 grader. I denna typ av bränslecell härrör den elektromotoriska kraften från olika syrepartialtryck på båda sidor av cellen. Den enskilda cellen består av två elektroder (bränsleelektroden som negativ elektrod och oxidantelektroden som positiv elektrod) och en elektrolyt. Anodens och katodens huvudfunktioner är att leda elektroner och tillhandahålla diffusionsvägar för reaktionsgaser och produktgaser.
Den fasta elektrolyten separerar gaserna på båda sidor. På grund av de olika syrepartialtrycken på båda sidor genereras en kemisk potentialgradient av syre. Under påverkan av denna kemiska potentialgradient rör sig syrejoner som har fått elektroner vid katoden mot anoden genom den fasta elektrolyten. Vid anoden frigörs elektroner, vilket skapar en spänningspotential mellan de två polerna.
Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) säljs som den tredje generationens bränsleceller, med en fast, icke-porös metalloxid som elektrolyt, genom vilken syrejoner transporteras in i kristallen för att transportera joner. Tekniken har nu nått ett moget stadium. Men på grund av det begränsade antalet material som kan arbeta vid höga temperaturer och deras höga kostnader, sker en förändring mot utvecklingen av bränsleceller med medeltemperatur.
Princip
När Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) arbetar med reformatgas (en blandning av väte och CO) som bränsle, sker följande reaktion i bränslecellen:
Vid katoden får syremolekyler elektroner och reduceras till syrejoner, dvs.
O2+4e−→2O2−
Under påverkan av potentialskillnaden och koncentrationsdrivkraften på elektrolytmembranets båda sidor genomgår syrejoner, genom syrevakanserna i elektrolytmembranet, riktad övergång till anodsidan och deltar i oxidationsreaktioner med bränslet, dvs.
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→CO2+2e-
Övergripande reaktion:
H2+CO+O2→CO2+H2O
sammansättning
För att smidigt kunna utföra funktionen att omvandla elektrisk energi bör en SOFC-stack (Solid Oxide Fuel Cell) innehålla följande komponenter:
(1) En elektrokemisk omvandlingsanordning bestående av en fast elektrolyt och både katod och anod. Bland elektrolytmaterial är yttriumoxidstabiliserad zirkoniumoxid det mest mognat utvecklade.
(2) En bränslereformer. Denna anordning inkluderar en katalysator, en bärare och en behållare. Den omvandlar bränslet till små gasformiga molekyler, såsom metan, och är placerad vid den främre änden av cellstapeln för att utbyta värme som genereras under bränslecellsdrift.
(3) Gas- och bränsletransportkanaler (eller gasdistributörer). Metaller används vanligtvis som ledningsmaterial för att säkerställa optimal diffusion och transport av reaktanter.
(4) Strömavtagare, även kända som elektriska borstar, vanligtvis gjorda av metaller eller material med god elektronisk ledningsförmåga, är avgörande för effektiv ledning.
(5) Sensorer. Olika kommersiellt tillgängliga sensorer kan användas för att övervaka cellens temperatur, ström, sammansättningstyper och utspänning.
(6) Termiska styranordningar, såsom isolerande skikt, kylare, värmeväxlare och ventilationssystem.
(7) Metall- eller glaskeramiskt hölje. Material som kan användas vid rumstemperatur, såsom rostfritt stål 304, används. Högtemperaturbeständiga material krävs för intern kontakt med SOFC, vilket gör kommersiella metallegeringar gynnsamma för att minska tillverkningskostnaderna.
Egenskaper
Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) är en idealisk typ av bränslecell, som inte bara har den höga effektiviteten och de miljövänliga fördelarna med andra bränsleceller utan också har följande framträdande egenskaper:
(1) SOFC har en helt solid struktur, vilket eliminerar korrosionsproblem och elektrolytförlustproblem som är förknippade med användningen av flytande elektrolyter, vilket erbjuder potential för långvarig drift.
(2) I drift vid temperaturer mellan 800 och 1000 grader eliminerar SOFC inte bara behovet av ädelmetallkatalysatorer utan kan också direkt använda naturgas, syngas och kolväten som bränsle, vilket förenklar bränslecellsystemet.
(3) SOFC frigör högtemperaturspillvärme, som kan användas i kombinerade cykler med gasturbiner eller ångturbiner, vilket avsevärt förbättrar den totala kraftgenereringseffektiviteten.
