Les piles de combustible d'òxid sòlid (SOFC) funcionen a temperatures superiors a les de les piles de combustible de carbonat fos, amb una temperatura de treball que oscil·la entre els 800 i els 1000 graus. En aquest tipus de pila de combustible, la força electromotriu s'origina a partir de diferents pressions parcials d'oxigen a ambdós costats de la pila. La cèl·lula individual consta de dos elèctrodes (l'elèctrode de combustible com a elèctrode negatiu i l'elèctrode oxidant com a elèctrode positiu) i un electròlit. Les funcions principals de l'ànode i el càtode són conduir electrons i proporcionar vies de difusió per als gasos de reacció i els gasos productes.
L'electròlit sòlid separa els gasos a banda i banda. A causa de les diferents pressions parcials d'oxigen a ambdós costats, es genera un gradient de potencial químic d'oxigen. Sota la influència d'aquest gradient de potencial químic, els ions d'oxigen que han guanyat electrons al càtode es mouen cap a l'ànode a través de l'electròlit sòlid. A l'ànode, s'alliberen electrons, creant un potencial de tensió entre els dos pols.
Les piles de combustible d'òxid sòlid (SOFC) es presenten com la tercera generació de piles de combustible, amb un òxid metàl·lic sòlid i no porós com a electròlit, a través del qual els ions d'oxigen es mouen dins del cristall per transportar ions. La tecnologia ha arribat ara a una etapa madura. Tanmateix, a causa del nombre limitat de materials capaços de funcionar a altes temperatures i el seu alt cost, hi ha un canvi cap al desenvolupament de piles de combustible de temperatura intermèdia.
Principi
Quan les piles de combustible d'òxid sòlid (SOFC) funcionen amb gas reformat (una barreja d'hidrogen i CO) com a combustible, es produeix la següent reacció dins de la pila de combustible:
Al càtode, les molècules d'oxigen guanyen electrons i es redueixen a ions d'oxigen, és a dir,
O2+4e−→2O2−
Sota la influència de la diferència de potencial i la força motriu de concentració a banda i banda de la membrana electròlit, els ions d'oxigen, a través de les vacants d'oxigen a la membrana de l'electròlit, experimenten una transició dirigida al costat de l'ànode i participen en reaccions d'oxidació amb el combustible, és a dir,
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→CO2+2e-
Reacció general:
H2+CO+O2→CO2+H2O
composició
Per complir sense problemes la funció de convertir l'energia elèctrica, una pila SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) hauria d'incloure els components següents:
(1) Un dispositiu de conversió electroquímica que consisteix en un electròlit sòlid i alhora càtode i ànode. Entre els materials electròlits, el zirconi estabilitzat amb itria és el més madur.
(2) Un reformador de combustible. Aquest dispositiu inclou un catalitzador, un portador i un recipient. Converteix el combustible en petites molècules gasoses, com el metà, i es col·loca a l'extrem frontal de la pila de cèl·lules per intercanviar la calor generada durant el funcionament de la pila de combustible.
(3) Canals de transport de gas i combustible (o distribuïdors de gas). Els metalls s'utilitzen habitualment com a materials de conducte per garantir una difusió i transport òptims dels reactius.
(4) Els col·lectors de corrent, també coneguts com a raspalls elèctrics, normalment fets de metalls o materials amb bona conductivitat electrònica, són essencials per a una conducció eficient.
(5) Sensors. Es poden utilitzar diversos sensors disponibles comercialment per controlar la temperatura, el corrent, els tipus de compostos i la tensió de sortida de la cèl·lula.
(6) Dispositius de control tèrmic, com ara capes aïllants, refrigeradors, intercanviadors de calor i sistemes de ventilació.
(7) Carcassa metàl·lica o vitroceràmica. S'utilitzen materials que es poden utilitzar a temperatura ambient, com ara l'acer inoxidable 304. Es necessiten materials resistents a altes temperatures per al contacte intern amb el SOFC, fent que els aliatges metàl·lics comercials siguin favorables per reduir els costos de fabricació.
Característiques
Les piles de combustible d'òxid sòlid (SOFC) són un tipus ideal de pila de combustible, no només posseeixen l'alta eficiència i els avantatges respectuosos amb el medi ambient d'altres piles de combustible, sinó que també presenten les següents característiques destacades:
(1) Els SOFC tenen una estructura totalment sòlida, eliminant els problemes de corrosió i els problemes de pèrdua d'electròlits associats amb l'ús d'electròlits líquids, oferint el potencial de funcionament a llarg termini.
(2) Funcionant a temperatures entre 800 i 1000 graus, els SOFC no només eliminen la necessitat de catalitzadors de metalls preciosos, sinó que també poden utilitzar directament gas natural, gas de síntesi i hidrocarburs com a combustible, simplificant el sistema de pila de combustible.
(3) Els SOFC alliberen calor residual a alta temperatura, que es pot utilitzar en cicles combinats amb turbines de gas o turbines de vapor, millorant significativament l'eficiència general de generació d'energia.
