Palivové články s pevným oxidom (SOFC) pracujú pri teplotách vyšších ako palivové články s roztaveným uhličitanom, s pracovnou teplotou v rozsahu od 800 do 1000 stupňov. V tomto type palivového článku elektromotorická sila pochádza z rôznych parciálnych tlakov kyslíka na oboch stranách článku. Samostatný článok pozostáva z dvoch elektród (palivová elektróda ako záporná elektróda a elektróda okysličovadla ako kladná elektróda) a elektrolyt. Hlavnými funkciami anódy a katódy sú vedenie elektrónov a poskytovanie difúznych ciest pre reakčné plyny a produktové plyny.
Pevný elektrolyt oddeľuje plyny na oboch stranách. V dôsledku rozdielnych parciálnych tlakov kyslíka na oboch stranách vzniká gradient chemického potenciálu kyslíka. Pod vplyvom tohto gradientu chemického potenciálu sa ióny kyslíka, ktoré získali elektróny na katóde, pohybujú smerom k anóde cez pevný elektrolyt. Na anóde sa uvoľňujú elektróny, ktoré vytvárajú napäťový potenciál medzi dvoma pólmi.
Palivové články s pevným oxidom (SOFC) sú propagované ako tretia generácia palivových článkov s pevným neporéznym oxidom kovu ako elektrolytom, cez ktorý sa ióny kyslíka pohybujú v kryštáli a prepravujú ióny. Technológia teraz dosiahla zrelú fázu. Avšak kvôli obmedzenému počtu materiálov schopných pracovať pri vysokých teplotách a ich vysokej cene dochádza k posunu smerom k vývoju strednoteplotných palivových článkov.
Princíp
Keď palivové články s tuhým oxidom (SOFC) pracujú s reformátovým plynom (zmes vodíka a CO) ako palivom, v palivovom článku dochádza k nasledujúcej reakcii:
Na katóde získavajú molekuly kyslíka elektróny a redukujú sa na kyslíkové ióny, tj.
O2+4e−→2O2−
Vplyvom rozdielu potenciálov a hnacej sily koncentrácie na oboch stranách membrány elektrolytu ióny kyslíka cez voľné miesta kyslíka v membráne elektrolytu podliehajú priamemu prechodu na stranu anódy a zapájajú sa do oxidačných reakcií s palivom, tj.
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→CO2+2e-
Celková reakcia:
H2+CO+O2→CO2+H2O
zloženie
Aby sa plynulo plnila funkcia premeny elektrickej energie, zásobník SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) by mal obsahovať nasledujúce komponenty:
(1) Zariadenie na elektrochemickú konverziu pozostávajúce z pevného elektrolytu a katódy aj anódy. Spomedzi elektrolytických materiálov je ytriom stabilizovaný oxid zirkoničitý najvyspelejší.
(2) Palivový reformátor. Toto zariadenie obsahuje katalyzátor, nosič a nádobu. Premieňa palivo na malé molekuly plynu, ako je metán, a je umiestnený na prednom konci zásobníka článkov na výmenu tepla generovaného počas prevádzky palivového článku.
(3) Kanály na prepravu plynu a paliva (alebo distribútori plynu). Kovy sa bežne používajú ako materiály vedenia na zabezpečenie optimálnej difúzie a transportu reaktantov.
(4) Zberače prúdu, známe aj ako elektrické kefy, zvyčajne vyrobené z kovov alebo materiálov s dobrou elektronickou vodivosťou, sú nevyhnutné pre účinné vedenie.
(5) Senzory. Na monitorovanie teploty, prúdu, typov zlúčenín a výstupného napätia článku možno použiť rôzne komerčne dostupné senzory.
(6) Zariadenia na reguláciu teploty, ako sú izolačné vrstvy, chladiče, výmenníky tepla a ventilačné systémy.
(7) Kovové alebo sklokeramické puzdro. Používajú sa materiály použiteľné pri izbovej teplote, ako je nehrdzavejúca oceľ 304. Pre vnútorný kontakt so SOFC sú potrebné materiály odolné voči vysokým teplotám, vďaka čomu sú komerčné kovové zliatiny priaznivé na zníženie výrobných nákladov.
Charakteristika
Palivové články s pevným oxidom (SOFC) sú ideálnym typom palivových článkov, ktoré sa vyznačujú nielen vysokou účinnosťou a výhodami iných palivových článkov šetrnými k životnému prostrediu, ale vyznačujú sa aj nasledujúcimi vynikajúcimi vlastnosťami:
(1) SOFC majú úplne pevnú štruktúru, ktorá eliminuje problémy s koróziou a problémy so stratou elektrolytu spojené s používaním kvapalných elektrolytov, čo ponúka potenciál pre dlhodobú prevádzku.
(2) Pri prevádzke pri teplotách medzi 800 a 1000 stupňami SOFC nielenže eliminujú potrebu katalyzátorov z drahých kovov, ale môžu tiež priamo využívať zemný plyn, syngas a uhľovodíky ako palivo, čím sa zjednodušuje systém palivových článkov.
(3) SOFC uvoľňujú vysokoteplotné odpadové teplo, ktoré možno využiť v kombinovaných cykloch s plynovými turbínami alebo parnými turbínami, čím sa výrazne zlepšuje celková účinnosť výroby energie.
