Palivové články s pevným oxidem (SOFC) pracují při teplotách vyšších než palivové články s roztaveným uhličitanem, s pracovní teplotou v rozmezí od 800 do 1000 stupňů. V tomto typu palivového článku vzniká elektromotorická síla z různých parciálních tlaků kyslíku na obou stranách článku. Samostatný článek se skládá ze dvou elektrod (palivová elektroda jako záporná elektroda a oxidační elektroda jako kladná elektroda) a elektrolytu. Hlavní funkcí anody a katody je vést elektrony a zajišťovat difúzní cesty pro reakční plyny a produktové plyny.
Pevný elektrolyt odděluje plyny na obou stranách. V důsledku rozdílných parciálních tlaků kyslíku na obou stranách vzniká gradient chemického potenciálu kyslíku. Pod vlivem tohoto gradientu chemického potenciálu se kyslíkové ionty, které získaly elektrony na katodě, pohybují k anodě přes pevný elektrolyt. Na anodě se uvolňují elektrony, které vytvářejí napěťový potenciál mezi dvěma póly.
Palivové články s pevným oxidem (SOFC) jsou nabízeny jako třetí generace palivových článků s pevným neporézním oxidem kovu jako elektrolytem, přes který se ionty kyslíku pohybují v krystalu a přenášejí ionty. Technologie nyní dosáhla zralé fáze. Vzhledem k omezenému počtu materiálů schopných provozu při vysokých teplotách a jejich vysoké ceně však dochází k posunu směrem k vývoji středněteplotních palivových článků.
Zásada
Když palivové články s pevným oxidem (SOFC) pracují s reformátovým plynem (směs vodíku a CO) jako palivem, dochází v palivovém článku k následující reakci:
Na katodě získávají molekuly kyslíku elektrony a jsou redukovány na kyslíkové ionty, tzn.
O2+4e−→2O2−
Pod vlivem rozdílu potenciálů a hnací síly koncentrace na obou stranách elektrolytové membrány procházejí kyslíkové ionty přes kyslíková vakance v elektrolytové membráně řízený přechod na anodovou stranu a zapojují se do oxidačních reakcí s palivem, tzn.
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→CO2+2e-
Celková reakce:
H2+CO+O2→CO2+H2O
složení
Pro bezproblémové plnění funkce přeměny elektrické energie by měl zásobník SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) obsahovat následující součásti:
(1) Zařízení pro elektrochemickou konverzi sestávající z pevného elektrolytu a katody i anody. Mezi elektrolytickými materiály je yttriem stabilizovaný oxid zirkoničitý nejvyspělejší.
(2) Palivový reformátor. Toto zařízení obsahuje katalyzátor, nosič a nádobu. Přeměňuje palivo na malé molekuly plynu, jako je metan, a je umístěn na předním konci sady článků, aby vyměňoval teplo generované během provozu palivového článku.
(3) Dopravní kanály plynu a paliva (nebo distributoři plynu). Kovy se běžně používají jako materiály vedení k zajištění optimální difúze a transportu reaktantů.
(4) Pro účinné vedení jsou nezbytné sběrače proudu, známé také jako elektrické kartáče, obvykle vyrobené z kovů nebo materiálů s dobrou elektronovou vodivostí.
(5) Senzory. K monitorování teploty, proudu, typů sloučenin a výstupního napětí článku lze použít různé komerčně dostupné senzory.
(6) Zařízení pro tepelnou regulaci, jako jsou izolační vrstvy, chladiče, výměníky tepla a ventilační systémy.
(7) Kovové nebo sklokeramické pouzdro. Používají se materiály použitelné při pokojové teplotě, jako je nerezová ocel 304. Pro vnitřní kontakt s SOFC jsou vyžadovány materiály odolné vůči vysokým teplotám, díky čemuž jsou komerční kovové slitiny příznivé pro snížení výrobních nákladů.
Charakteristika
Palivové články s pevným oxidem (SOFC) jsou ideálním typem palivových článků, které mají nejen vysokou účinnost a výhody jiných palivových článků šetrné k životnímu prostředí, ale také se vyznačují následujícími významnými vlastnostmi:
(1) SOFC mají plně pevnou strukturu, která eliminuje problémy s korozí a problémy se ztrátou elektrolytu spojené s použitím kapalných elektrolytů, což nabízí potenciál pro dlouhodobý provoz.
(2) SOFC, které pracují při teplotách mezi 800 a 1000 stupni, nejenže eliminují potřebu katalyzátorů z drahých kovů, ale mohou také přímo používat zemní plyn, syngas a uhlovodíky jako palivo, což zjednodušuje systém palivových článků.
(3) SOFC uvolňují vysokoteplotní odpadní teplo, které lze využít v kombinovaných cyklech s plynovými turbínami nebo parními turbínami, což výrazně zlepšuje celkovou účinnost výroby energie.
