Горивните клетки с твърд оксид (SOFC) работят при температури, по-високи от горивните клетки от разтопен карбонат, с работна температура в диапазона от 800 до 1000 градуса. В този тип горивна клетка електродвижещата сила произлиза от различни парциални налягания на кислорода от двете страни на клетката. Отделната клетка се състои от два електрода (горивния електрод като отрицателен електрод и окислителния електрод като положителен електрод) и електролит. Основните функции на анода и катода са да провеждат електрони и да осигуряват дифузионни пътища за реакционни газове и продуктови газове.
Твърдият електролит разделя газовете от двете страни. Поради различното парциално налягане на кислорода от двете страни се генерира градиент на химичния потенциал на кислорода. Под въздействието на този химически потенциален градиент, кислородните йони, които са получили електрони на катода, се придвижват към анода през твърдия електролит. На анода се освобождават електрони, създавайки потенциал на напрежение между двата полюса.
Горивните клетки с твърд оксид (SOFC) се рекламират като третото поколение горивни клетки с твърд, непорест метален оксид като електролит, през който кислородните йони се движат в кристала, за да транспортират йони. Технологията вече е достигнала зрял етап. Въпреки това, поради ограничения брой материали, способни да работят при високи температури и тяхната висока цена, има преминаване към разработването на горивни клетки със средна температура.
Принцип
Когато горивните клетки с твърд оксид (SOFC) работят с реформиран газ (смес от водород и CO) като гориво, в горивната клетка протича следната реакция:
На катода кислородните молекули получават електрони и се редуцират до кислородни йони, т.е.
O2+4e−→2O2−
Под въздействието на движещата сила на потенциалната разлика и концентрацията от двете страни на електролитната мембрана, кислородните йони, през кислородните ваканции в електролитната мембрана, претърпяват насочен преход към анодната страна и участват в окислителни реакции с горивото, т.е.
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→CO2+2e-
Обща реакция:
H2+CO+O2→CO2+H2O
композиция
За да изпълни гладко функцията за преобразуване на електрическа енергия, купчината SOFC (горивна клетка с твърд оксид) трябва да включва следните компоненти:
(1) Устройство за електрохимично преобразуване, състоящо се от твърд електролит и катод и анод. Сред електролитните материали стабилизираният с итрий цирконий е най-зряло разработен.
(2) Горивен реформатор. Това устройство включва катализатор, носител и контейнер. Той преобразува горивото в малки газообразни молекули, като метан, и е разположен в предния край на купчината клетки, за да обменя топлина, генерирана по време на работа на горивната клетка.
(3) Канали за транспортиране на газ и гориво (или газоразпределители). Металите обикновено се използват като тръбопроводни материали за осигуряване на оптимална дифузия и транспорт на реагенти.
(4) Токоприемниците, известни също като електрически четки, обикновено направени от метали или материали с добра електронна проводимост, са от съществено значение за ефективната проводимост.
(5) Сензори. Могат да се използват различни налични в търговската мрежа сензори за наблюдение на температурата, тока, видовете съединения и изходното напрежение на клетката.
(6) Устройства за термичен контрол, като изолационни слоеве, охладители, топлообменници и вентилационни системи.
(7) Метален или стъклокерамичен корпус. Използват се материали, които могат да се използват при стайна температура, като неръждаема стомана 304. Необходими са материали, устойчиви на висока температура за вътрешен контакт със SOFC, което прави търговските метални сплави благоприятни за намаляване на производствените разходи.
Характеристики
Горивните клетки с твърд оксид (SOFC) са идеален тип горивни клетки, които не само притежават високата ефективност и екологичните предимства на други горивни клетки, но също така притежават следните забележителни характеристики:
(1) SOFC имат напълно солидна структура, елиминирайки проблемите с корозията и загубата на електролит, свързани с използването на течни електролити, предлагайки потенциал за дългосрочна работа.
(2) Работейки при температури между 800 и 1000 градуса, SOFC не само елиминират необходимостта от катализатори от благородни метали, но също така могат директно да използват природен газ, синтетичен газ и въглеводороди като гориво, опростявайки системата за горивни клетки.
(3) SOFC отделят високотемпературна отпадна топлина, която може да се използва в комбинирани цикли с газови турбини или парни турбини, което значително подобрява общата ефективност на производството на електроенергия.
