Pilele de combustibil cu oxid solid (SOFC) funcționează la temperaturi mai mari decât celulele de combustibil cu carbonat topit, cu o temperatură de lucru cuprinsă între 800 și 1000 de grade. În acest tip de pile de combustie, forța electromotoare provine din diferite presiuni parțiale ale oxigenului de pe ambele părți ale celulei. Celula individuală este formată din doi electrozi (electrodul de combustibil ca electrod negativ și electrodul oxidant ca electrod pozitiv) și un electrolit. Principalele funcții ale anodului și catodului sunt de a conduce electronii și de a oferi căi de difuzie pentru gazele de reacție și gazele produse.
Electrolitul solid separă gazele pe ambele părți. Datorită diferitelor presiuni parțiale ale oxigenului de pe ambele părți, se generează un gradient de potențial chimic al oxigenului. Sub influența acestui gradient de potențial chimic, ionii de oxigen care au câștigat electroni la catod se deplasează spre anod prin electrolitul solid. La anod, electronii sunt eliberați, creând un potențial de tensiune între cei doi poli.
Pilele de combustie cu oxid solid (SOFC) sunt prezentate ca a treia generație de celule de combustibil, având ca electrolit un oxid de metal solid, neporos, prin care ionii de oxigen se deplasează în cristal pentru a transporta ionii. Tehnologia a ajuns acum la un stadiu matur. Cu toate acestea, din cauza numărului limitat de materiale capabile să funcționeze la temperaturi ridicate și a costului lor ridicat, există o schimbare către dezvoltarea pilelor de combustie cu temperatură intermediară.
Principiu
Când pilele de combustie cu oxid solid (SOFC) funcționează cu gaz reformat (un amestec de hidrogen și CO) ca combustibil, în interiorul celulei de combustibil are loc următoarea reacție:
La catod, moleculele de oxigen câștigă electroni și sunt reduse la ioni de oxigen, adică
O2+4e−→2O2−
Sub influența diferenței de potențial și a forței de antrenare a concentrației de pe ambele părți ale membranei electrolitului, ionii de oxigen, prin locurile libere de oxigen din membrana electrolitului, suferă o tranziție direcționată către partea anodului și se angajează în reacții de oxidare cu combustibilul, adică,
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→CO2+2e-
Reacția generală:
H2+CO+O2→CO2+H2O
compoziție
Pentru a îndeplini fără probleme funcția de conversie a energiei electrice, o stivă SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) ar trebui să includă următoarele componente:
(1) Un dispozitiv de conversie electrochimică constând dintr-un electrolit solid și atât catod cât și anod. Dintre materialele electrolitice, zirconia stabilizată cu ytriu este cea mai dezvoltată.
(2) Un reformator de combustibil. Acest dispozitiv include un catalizator, un purtător și un recipient. Acesta transformă combustibilul în molecule gazoase mici, cum ar fi metanul, și este poziționat la capătul frontal al stivei de celule pentru a schimba căldura generată în timpul funcționării celulei de combustibil.
(3) Canale de transport gaze și combustibili (sau distribuitori de gaze). Metalele sunt utilizate în mod obișnuit ca materiale pentru conducte pentru a asigura difuzia și transportul optim al reactanților.
(4) Colectorii de curent, cunoscuți și sub denumirea de perii electrice, fabricați în mod obișnuit din metale sau materiale cu conductivitate electronică bună, sunt esențiale pentru o conducere eficientă.
(5) Senzori. Diferiți senzori disponibili comercial pot fi utilizați pentru a monitoriza temperatura, curentul, tipurile de compus și tensiunea de ieșire a celulei.
(6) Dispozitive de control termic, cum ar fi straturi izolatoare, răcitoare, schimbătoare de căldură și sisteme de ventilație.
(7) Carcasă metalică sau vitroceramică. Sunt folosite materiale utilizabile la temperatura camerei, cum ar fi oțelul inoxidabil 304. Materialele rezistente la temperaturi ridicate sunt necesare pentru contactul intern cu SOFC, făcând aliajele metalice comerciale favorabile pentru reducerea costurilor de producție.
Caracteristici
Pilele de combustie cu oxid solid (SOFC) sunt un tip ideal de pile de combustie, nu numai că posedă eficiența ridicată și avantajele ecologice ale altor pile de combustibil, ci și prezintă următoarele caracteristici proeminente:
(1) SOFC-urile au o structură complet solidă, eliminând problemele de coroziune și problemele de pierdere a electroliților asociate cu utilizarea electroliților lichizi, oferind potențialul de funcționare pe termen lung.
(2) Funcționând la temperaturi cuprinse între 800 și 1000 de grade, SOFC nu numai că elimină nevoia de catalizatori de metale prețioase, ci și pot folosi direct gazul natural, gazul de sinteză și hidrocarburile drept combustibil, simplificând sistemul de celule de combustibil.
(3) SOFC-urile eliberează căldură reziduală la temperatură înaltă, care poate fi utilizată în cicluri combinate cu turbine cu gaz sau turbine cu abur, îmbunătățind semnificativ eficiența generală de generare a energiei.
