پیلهای سوختی اکسید جامد (SOFC) در دماهای بالاتر از پیلهای سوختی کربنات مذاب کار میکنند و دمای کاری آنها بین 800 تا 1000 درجه است. در این نوع پیل سوختی، نیروی الکتروموتور از فشارهای جزئی اکسیژن مختلف در دو طرف پیل نشات می گیرد. سلول منفرد از دو الکترود (الکترود سوخت به عنوان الکترود منفی و الکترود اکسیدان به عنوان الکترود مثبت) و یک الکترولیت تشکیل شده است. وظایف اصلی آند و کاتد هدایت الکترون ها و ایجاد مسیرهای انتشار برای گازهای واکنش و گازهای محصول است.
الکترولیت جامد گازهای هر دو طرف را جدا می کند. به دلیل فشارهای جزئی اکسیژن متفاوت در هر دو طرف، یک شیب پتانسیل شیمیایی اکسیژن تولید می شود. تحت تأثیر این گرادیان پتانسیل شیمیایی، یون های اکسیژن که در کاتد الکترون به دست آورده اند از طریق الکترولیت جامد به سمت آند حرکت می کنند. در آند، الکترون ها آزاد می شوند و یک پتانسیل ولتاژ بین دو قطب ایجاد می کنند.
پیلهای سوختی اکسید جامد (SOFC) به عنوان سومین نسل از پیلهای سوختی با یک اکسید فلزی جامد و غیر متخلخل به عنوان الکترولیت معرفی میشوند که از طریق آن یونهای اکسیژن برای انتقال یونها در داخل کریستال حرکت میکنند. این فناوری اکنون به مرحله بلوغ رسیده است. با این حال، با توجه به تعداد محدود موادی که قادر به کار در دماهای بالا و هزینه بالای آنها هستند، تغییر به سمت توسعه سلول های سوختی دمای متوسط وجود دارد.
اصل
هنگامی که سلولهای سوختی اکسید جامد (SOFC) با گاز ریفرمیت (مخلوطی از هیدروژن و CO) به عنوان سوخت کار میکنند، واکنش زیر در پیل سوختی رخ میدهد:
در کاتد، مولکول های اکسیژن الکترون می گیرند و به یون های اکسیژن کاهش می یابند، به عنوان مثال،
O2+4e−→2O2−
تحت تأثیر اختلاف پتانسیل و نیروی محرکه غلظت در هر دو طرف غشای الکترولیت، یونهای اکسیژن از طریق فضای خالی اکسیژن در غشای الکترولیت، تحت انتقال مستقیم به سمت آند قرار میگیرند و در واکنشهای اکسیداسیون با سوخت شرکت میکنند.
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→ CO2+2e-
واکنش کلی:
H2٪2bCO٪2bO2→ CO2+H2O
ترکیب
برای انجام هموار عملکرد تبدیل انرژی الکتریکی، یک پشته SOFC (پیل سوختی اکسید جامد) باید شامل اجزای زیر باشد:
(1) یک دستگاه تبدیل الکتروشیمیایی متشکل از یک الکترولیت جامد و هم کاتد و هم آند. در میان مواد الکترولیت، زیرکونیای تثبیت شده با ایتریا به طور کامل توسعه یافته است.
(2) یک اصلاح کننده سوخت. این دستگاه شامل کاتالیزور، حامل و ظرف می باشد. این سوخت را به مولکول های گازی کوچکی مانند متان تبدیل می کند و در انتهای جلوی پشته سلول قرار می گیرد تا گرمای تولید شده در حین کار پیل سوختی را مبادله کند.
(3) کانال های انتقال گاز و سوخت (یا توزیع کنندگان گاز). فلزات معمولاً به عنوان مواد مجرای برای اطمینان از انتشار و انتقال بهینه واکنش دهنده ها استفاده می شوند.
(4) کلکتورهای جریان، که به عنوان برس های الکتریکی نیز شناخته می شوند، معمولاً از فلزات یا مواد با رسانایی الکترونیکی خوب ساخته می شوند، برای هدایت کارآمد ضروری هستند.
(5) حسگرها سنسورهای مختلف تجاری موجود را می توان برای نظارت بر دما، جریان، انواع ترکیبات و ولتاژ خروجی سلول استفاده کرد.
(6) دستگاه های کنترل حرارتی، مانند لایه های عایق، خنک کننده ها، مبدل های حرارتی و سیستم های تهویه.
(7) محفظه فلزی یا شیشه ای و سرامیکی. مواد قابل استفاده در دمای اتاق، مانند فولاد ضد زنگ 304، استفاده می شود. مواد مقاوم در برابر درجه حرارت بالا برای تماس داخلی با SOFC مورد نیاز هستند، که آلیاژهای فلزی تجاری را برای کاهش هزینه های تولید مطلوب می کند.
مشخصات
پیلهای سوختی اکسید جامد (SOFC) یک نوع ایدهآل از پیل سوختی هستند که نه تنها دارای راندمان بالا و مزایای سازگار با محیط زیست سایر پیلهای سوختی هستند، بلکه دارای ویژگیهای برجسته زیر نیز میباشند:
(1) SOFCها ساختاری کاملاً جامد دارند، مسائل خوردگی و مشکلات اتلاف الکترولیت مرتبط با استفاده از الکترولیتهای مایع را حذف میکنند و پتانسیل عملیات طولانیمدت را ارائه میدهند.
(2) کارکردن در دماهای بین 800 تا 1000 درجه، SOFC ها نه تنها نیاز به کاتالیزورهای فلزات گرانبها را از بین می برند، بلکه می توانند مستقیماً از گاز طبیعی، گاز سنتز و هیدروکربن ها به عنوان سوخت استفاده کنند و سیستم پیل سوختی را ساده کنند.
(3) SOFC ها گرمای اتلاف با دمای بالا را آزاد می کنند که می تواند در چرخه های ترکیبی با توربین های گاز یا توربین های بخار استفاده شود و به طور قابل توجهی بازده کلی تولید برق را بهبود می بخشد.
