Kiinteät oksidipolttokennot (SOFC) toimivat korkeammissa lämpötiloissa kuin sulat karbonaattipolttokennot, ja niiden käyttölämpötila on 800-1000 astetta. Tämän tyyppisissä polttokennoissa sähkömotorinen voima on peräisin erilaisista hapen osapaineista kennon molemmilla puolilla. Yksittäinen kenno koostuu kahdesta elektrodista (polttoaineelektrodi negatiivisena elektrodina ja hapetinelektrodi positiivisena elektrodina) ja elektrolyytistä. Anodin ja katodin päätehtävät ovat elektronien johtaminen ja diffuusioreittien tarjoaminen reaktiokaasuille ja tuotekaasuille.
Kiinteä elektrolyytti erottaa kaasut molemmilta puolilta. Molemmilla puolilla erilaisten hapen osapaineiden vuoksi syntyy hapen kemiallinen potentiaaligradientti. Tämän kemiallisen potentiaaligradientin vaikutuksesta katodilla elektroneja saaneet happi-ionit liikkuvat kohti anodia kiinteän elektrolyytin läpi. Anodilla elektronit vapautuvat, mikä luo jännitepotentiaalin kahden navan välille.
Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) -kennoja mainostetaan kolmannen sukupolven polttokennoina, ja elektrolyyttinä on kiinteä, ei-huokoinen metallioksidi, jonka läpi happi-ionit kulkevat kiteen sisällä kuljettamaan ioneja. Tekniikka on nyt saavuttanut kypsän vaiheen. Korkeissa lämpötiloissa toimivien materiaalien rajallisen määrän ja niiden korkeiden kustannusten vuoksi kuitenkin ollaan siirtymässä kohti keskilämpötilojen polttokennojen kehittämistä.
Periaate
Kun kiinteäoksidipolttokennot (SOFC) toimivat reformaattikaasulla (vedyn ja CO:n seos) polttoaineena, polttokennossa tapahtuu seuraava reaktio:
Katodilla happimolekyylit saavat elektroneja ja pelkistyvät happi-ioneiksi, ts.
O2+4e−→2O2−
Elektrolyyttikalvon molemmilla puolilla olevan potentiaalieron ja pitoisuuden käyttövoiman vaikutuksesta happi-ionit elektrolyyttikalvossa olevien happivakanssien kautta käyvät läpi suunnatun siirtymän anodipuolelle ja osallistuvat hapetusreaktioihin polttoaineen kanssa, ts.
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→CO2+2e-
Kokonaisreaktio:
H2+CO+O2→CO2+H2O
kokoonpano
SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) -pinon tulee sisältää seuraavat komponentit, jotta sähköenergian muuntaminen toimii sujuvasti:
(1) Sähkökemiallinen muunnoslaite, joka koostuu kiinteästä elektrolyytistä sekä katodista ja anodista. Elektrolyyttimateriaaleista yttriumoksidistabiloitu zirkoniumoksidi on kypsimmin kehitetty.
(2) Polttoaineen uudistaja. Tämä laite sisältää katalyytin, kantoaineen ja säiliön. Se muuntaa polttoaineen pieniksi kaasumaisiksi molekyyleiksi, kuten metaaniksi, ja se on sijoitettu kennopinon etupäähän vaihtamaan polttokennotoiminnan aikana syntyvää lämpöä.
(3) Kaasun ja polttoaineen kuljetuskanavat (tai kaasunjakelijat). Metalleja käytetään yleisesti putkimateriaaleina optimaalisen reagenssien diffuusion ja kuljetuksen varmistamiseksi.
(4) Virrankerääjät, jotka tunnetaan myös sähköharjoina ja jotka on tyypillisesti valmistettu metalleista tai materiaaleista, joilla on hyvä sähkönjohtavuus, ovat välttämättömiä tehokkaan johtamisen kannalta.
(5) Anturit. Erilaisia kaupallisesti saatavia antureita voidaan käyttää kennon lämpötilan, virran, yhdistetyyppien ja lähtöjännitteen tarkkailemiseen.
(6) Lämmönsäätölaitteet, kuten eristyskerrokset, jäähdyttimet, lämmönvaihtimet ja ilmanvaihtojärjestelmät.
(7) Metalli- tai lasi-keraaminen kotelo. Käytetään huoneenlämpötilassa käyttökelpoisia materiaaleja, kuten ruostumatonta terästä 304. Korkean lämpötilan kestäviä materiaaleja tarvitaan sisäiseen kosketukseen SOFC:n kanssa, mikä tekee kaupallisista metalliseoksista edullisia valmistuskustannusten alentamiseksi.
Ominaisuudet
Kiinteät oksidipolttokennot (SOFC) ovat ihanteellisia polttokennoja, joilla ei ole vain muiden polttokennojen korkeaa hyötysuhdetta ja ympäristöystävällisiä etuja, vaan niillä on myös seuraavat näkyvät ominaisuudet:
(1) SOFC-yhdisteillä on täysin kiinteä rakenne, mikä eliminoi nestemäisten elektrolyyttien käyttöön liittyvät korroosio- ja elektrolyyttihäviöongelmat, mikä tarjoaa mahdollisuuden pitkäaikaiseen käyttöön.
(2) 800-1000 asteen lämpötiloissa toimivat SOFC-yhdisteet eivät ainoastaan poista jalometallikatalysaattorien tarvetta, vaan voivat myös käyttää suoraan maakaasua, synteesikaasua ja hiilivetyjä polttoaineena, mikä yksinkertaistaa polttokennojärjestelmää.
(3) SOFC-yhdisteet vapauttavat korkean lämpötilan hukkalämpöä, jota voidaan hyödyntää yhdistetyissä sykleissä kaasuturbiinien tai höyryturbiinien kanssa, mikä parantaa merkittävästi yleistä sähköntuotannon tehokkuutta.
