Solid Oxide Fuel Cells (SOFC's) werken bij temperaturen hoger dan gesmolten carbonaatbrandstofcellen, met een werktemperatuur variërend van 800 tot 1000 graden. Bij dit type brandstofcel is de elektromotorische kracht afkomstig van verschillende partiële zuurstofdrukken aan beide zijden van de cel. De individuele cel bestaat uit twee elektroden (de brandstofelektrode als negatieve elektrode en de oxidatiemiddelelektrode als positieve elektrode) en een elektrolyt. De belangrijkste functies van de anode en kathode zijn het geleiden van elektronen en het bieden van diffusieroutes voor reactiegassen en productgassen.
De vaste elektrolyt scheidt de gassen aan beide zijden. Door de verschillende partiële zuurstofdrukken aan beide zijden ontstaat er een chemische potentiaalgradiënt van zuurstof. Onder invloed van deze chemische potentiaalgradiënt bewegen zuurstofionen die elektronen aan de kathode hebben gewonnen, door de vaste elektrolyt naar de anode. Bij de anode komen elektronen vrij, waardoor er een spanningspotentiaal ontstaat tussen de twee polen.
Solid Oxide Fuel Cells (SOFC's) worden aangeprezen als de derde generatie brandstofcellen, met een vast, niet-poreus metaaloxide als elektrolyt, waardoor zuurstofionen door het kristal heen en weer bewegen om ionen te transporteren. De technologie heeft inmiddels een volwassen stadium bereikt. Vanwege het beperkte aantal materialen dat bij hoge temperaturen kan werken en de hoge kosten ervan, vindt er echter een verschuiving plaats naar de ontwikkeling van brandstofcellen op middelhoge temperaturen.
Beginsel
Wanneer Solid Oxide Fuel Cells (SOFC's) werken met reformaatgas (een mengsel van waterstof en CO) als brandstof, vindt de volgende reactie plaats in de brandstofcel:
Aan de kathode nemen zuurstofmoleculen elektronen op en worden ze gereduceerd tot zuurstofionen, dat wil zeggen:
O2+4e−→2O2−
Onder invloed van het potentiaalverschil en de concentratie-aandrijvende kracht aan beide zijden van het elektrolytmembraan ondergaan zuurstofionen, via de zuurstofvacatures in het elektrolytmembraan, een gerichte overgang naar de anodezijde en gaan ze oxidatiereacties aan met de brandstof, dat wil zeggen:
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→ CO2+2e-
Algemene reactie:
H2+CO+O2→ CO2+H2O
samenstelling
Om de functie van het omzetten van elektrische energie soepel te kunnen vervullen, moet een SOFC-stapel (Solid Oxide Fuel Cell) de volgende componenten bevatten:
(1) Een elektrochemisch conversieapparaat bestaande uit een vaste elektrolyt en zowel kathode als anode. Van de elektrolytmaterialen is yttriumoxide-gestabiliseerd zirkoniumoxide het meest volwassen ontwikkeld.
(2) Een brandstofreformer. Dit apparaat omvat een katalysator, een drager en een container. Het zet de brandstof om in kleine gasvormige moleculen, zoals methaan, en wordt aan de voorkant van de celstapel geplaatst om de warmte uit te wisselen die wordt gegenereerd tijdens de werking van de brandstofcel.
(3) Gas- en brandstoftransportkanalen (of gasdistributeurs). Metalen worden vaak gebruikt als leidingmateriaal om een optimale diffusie en transport van reactanten te garanderen.
(4) Stroomcollectoren, ook wel elektrische borstels genoemd, meestal gemaakt van metalen of materialen met een goede elektronische geleidbaarheid, zijn essentieel voor een efficiënte geleiding.
(5) Sensoren. Er kunnen verschillende in de handel verkrijgbare sensoren worden gebruikt om de temperatuur, stroom, verbindingstypen en uitgangsspanning van de cel te bewaken.
(6) Apparaten voor thermische controle, zoals isolatielagen, koelers, warmtewisselaars en ventilatiesystemen.
(7) Behuizing van metaal of glaskeramiek. Er worden materialen toegepast die bruikbaar zijn bij kamertemperatuur, zoals roestvrij staal 304. Voor intern contact met de SOFC zijn materialen nodig die bestand zijn tegen hoge temperaturen, waardoor commerciële metaallegeringen gunstig zijn voor het verlagen van de productiekosten.
Kenmerken
Solid Oxide Fuel Cells (SOFC's) zijn een ideaal type brandstofcel, die niet alleen de hoge efficiëntie en milieuvriendelijke voordelen van andere brandstofcellen bezitten, maar ook de volgende opvallende kenmerken hebben:
(1) SOFC's hebben een volledig solide structuur, waardoor de corrosieproblemen en problemen met elektrolytverlies die gepaard gaan met het gebruik van vloeibare elektrolyten worden geëlimineerd, wat mogelijkheden biedt voor langdurig gebruik.
(2) SOFC's werken bij temperaturen tussen 800 en 1000 graden en elimineren niet alleen de behoefte aan katalysatoren van edele metalen, maar kunnen ook rechtstreeks aardgas, syngas en koolwaterstoffen als brandstof gebruiken, waardoor het brandstofcelsysteem wordt vereenvoudigd.
(3) SOFC's geven afvalwarmte van hoge temperatuur vrij, die kan worden gebruikt in gecombineerde cycli met gasturbines of stoomturbines, waardoor de algehele efficiëntie van de energieopwekking aanzienlijk wordt verbeterd.
