Gorivne ćelije sa čvrstim oksidom (SOFC) rade na temperaturama višim od gorivnih ćelija rastopljenog karbonata, sa radnom temperaturom u rasponu od 800 do 1000 stepeni. U ovoj vrsti gorivih ćelija, elektromotorna sila potiče od različitih parcijalnih pritisaka kiseonika na obe strane ćelije. Pojedinačna ćelija se sastoji od dvije elektrode (elektroda za gorivo kao negativna elektroda i elektroda oksidansa kao pozitivna elektroda) i elektrolita. Glavne funkcije anode i katode su da provode elektrone i obezbjeđuju puteve difuzije za reakcijske plinove i produktne plinove.
Čvrsti elektrolit odvaja gasove sa obe strane. Zbog različitih parcijalnih pritisaka kiseonika na obe strane, stvara se gradijent hemijskog potencijala kiseonika. Pod uticajem ovog hemijskog gradijenta potencijala, joni kiseonika koji su dobili elektrone na katodi kreću se prema anodi kroz čvrsti elektrolit. Na anodi se oslobađaju elektroni, stvarajući naponski potencijal između dva pola.
Gorivne ćelije sa čvrstim oksidom (SOFC) se reklamiraju kao treća generacija gorivih ćelija, sa čvrstim, neporoznim metalnim oksidom kao elektrolitom, kroz koji se ioni kiseonika kreću unutar kristala za transport jona. Tehnologija je sada dostigla zrelu fazu. Međutim, zbog ograničenog broja materijala koji mogu raditi na visokim temperaturama i njihove visoke cijene, dolazi do pomaka prema razvoju gorivnih ćelija srednje temperature.
Princip
Kada gorivne ćelije čvrstog oksida (SOFC) rade s reformiranim plinom (mješavina vodika i CO) kao gorivom, unutar gorivne ćelije dolazi do sljedeće reakcije:
Na katodi molekule kiseonika dobijaju elektrone i redukuju se na jone kiseonika, tj.
O2+4e−→2O2−
Pod uticajem razlike potencijala i koncentracijske pokretačke sile sa obe strane membrane elektrolita, joni kiseonika, kroz slobodna mesta kiseonika u elektrolitskoj membrani, prolaze usmereni prelaz na anodnu stranu i ulaze u oksidacione reakcije sa gorivom, tj.
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→CO2+2e-
Ukupna reakcija:
H2+CO+O2→CO2+H2O
sastav
Za nesmetano ispunjavanje funkcije pretvaranja električne energije, SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) dimnjak bi trebao uključivati sljedeće komponente:
(1) Uređaj za elektrohemijsku konverziju koji se sastoji od čvrstog elektrolita i katode i anode. Među elektrolitskim materijalima, cirkonijum stabilizovan itrijem je najzrelije razvijen.
(2) Reformator goriva. Ovaj uređaj uključuje katalizator, nosač i kontejner. On pretvara gorivo u male gasovite molekule, kao što je metan, i pozicioniran je na prednjem kraju sloja ćelija za razmenu toplote proizvedene tokom rada gorivne ćelije.
(3) Kanali za transport gasa i goriva (ili distributeri gasa). Metali se obično koriste kao materijali za vodove kako bi se osigurala optimalna difuzija i transport reaktanata.
(4) Kolektori struje, takođe poznati kao električne četke, obično napravljeni od metala ili materijala sa dobrom elektronskom provodljivošću, neophodni su za efikasno provođenje.
(5) Senzori. Različiti komercijalno dostupni senzori mogu se koristiti za praćenje temperature, struje, vrste spojeva i izlaznog napona ćelije.
(6) Uređaji za kontrolu toplote, kao što su izolacioni slojevi, hladnjaci, izmenjivači toplote i ventilacioni sistemi.
(7) Metalno ili staklokeramičko kućište. Koriste se materijali koji se mogu koristiti na sobnoj temperaturi, kao što je nerđajući čelik 304. Za unutrašnji kontakt sa SOFC-om potrebni su materijali otporni na visoke temperature, što čini komercijalne metalne legure povoljnim za smanjenje troškova proizvodnje.
Karakteristike
Gorivne ćelije sa čvrstim oksidom (SOFC) su idealan tip gorivih ćelija, ne samo da poseduju visoku efikasnost i ekološki prihvatljive prednosti drugih gorivnih ćelija, već takođe imaju sledeće istaknute karakteristike:
(1) SOFC-i imaju potpuno čvrstu strukturu, eliminišući probleme sa korozijom i gubitkom elektrolita koji su povezani sa upotrebom tečnih elektrolita, nudeći potencijal za dugotrajan rad.
(2) Radeći na temperaturama između 800 i 1000 stepeni, SOFC ne samo da eliminišu potrebu za katalizatorima plemenitih metala, već takođe mogu direktno da koriste prirodni gas, singas i ugljovodonike kao gorivo, pojednostavljujući sistem gorivih ćelija.
(3) SOFC oslobađaju otpadnu toplotu visoke temperature, koja se može koristiti u kombinovanim ciklusima sa gasnim ili parnim turbinama, značajno poboljšavajući ukupnu efikasnost proizvodnje energije.
