Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) hoạt động ở nhiệt độ cao hơn pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy, với nhiệt độ làm việc dao động từ 800 đến 1000 độ. Trong loại pin nhiên liệu này, sức điện động bắt nguồn từ áp suất riêng phần oxy khác nhau ở cả hai phía của pin. Tế bào riêng lẻ bao gồm hai điện cực (điện cực nhiên liệu là điện cực âm và điện cực oxy hóa là điện cực dương) và chất điện phân. Chức năng chính của cực dương và cực âm là dẫn điện tử và cung cấp đường khuếch tán cho khí phản ứng và khí sản phẩm.
Chất điện phân rắn tách khí ở cả hai phía. Do áp suất riêng phần oxy ở cả hai phía khác nhau, nên tạo ra gradient thế hóa học của oxy. Dưới ảnh hưởng của gradient thế hóa học này, các ion oxy đã nhận electron ở cực âm sẽ di chuyển về phía cực dương thông qua chất điện phân rắn. Tại cực dương, các electron được giải phóng, tạo ra hiệu điện thế giữa hai cực.
Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) được quảng cáo là thế hệ pin nhiên liệu thứ ba, với oxit kim loại rắn, không xốp làm chất điện phân, qua đó các ion oxy di chuyển trong tinh thể để vận chuyển các ion. Công nghệ hiện đã đạt đến giai đoạn trưởng thành. Tuy nhiên, do số lượng vật liệu có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao còn hạn chế và giá thành cao nên có sự chuyển hướng sang phát triển pin nhiên liệu ở nhiệt độ trung bình.
Nguyên tắc
Khi pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) hoạt động với khí cải cách (hỗn hợp hydro và CO) làm nhiên liệu, phản ứng sau đây xảy ra trong pin nhiên liệu:
Ở cực âm, các phân tử oxy nhận electron và bị khử thành ion oxy, tức là
O2+4e−→2O2−
Dưới tác động của sự chênh lệch điện thế và lực truyền động nồng độ ở cả hai phía của màng điện phân, các ion oxy, thông qua các chỗ trống oxy trong màng điện phân, trải qua quá trình chuyển đổi trực tiếp sang phía cực dương và tham gia vào các phản ứng oxy hóa với nhiên liệu, tức là,
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→CO2+2e-
Phản ứng tổng thể:
H2+CO+O2→CO2+H2O
thành phần
Để thực hiện trơn tru chức năng chuyển đổi năng lượng điện, ngăn xếp SOFC (Pin nhiên liệu oxit rắn) phải bao gồm các thành phần sau:
(1) Thiết bị chuyển đổi điện hóa bao gồm chất điện phân rắn và cả cực âm và cực dương. Trong số các vật liệu điện phân, zirconia ổn định yttria được phát triển hoàn thiện nhất.
(2) Máy cải cách nhiên liệu. Thiết bị này bao gồm chất xúc tác, chất mang và thùng chứa. Nó chuyển đổi nhiên liệu thành các phân tử khí nhỏ, chẳng hạn như khí metan và được đặt ở đầu phía trước của ngăn xếp tế bào để trao đổi nhiệt sinh ra trong quá trình hoạt động của pin nhiên liệu.
(3) Kênh vận chuyển khí, nhiên liệu (hoặc nhà phân phối khí). Kim loại thường được sử dụng làm vật liệu dẫn điện để đảm bảo sự khuếch tán và vận chuyển tối ưu các chất phản ứng.
(4) Bộ thu dòng điện, còn được gọi là chổi điện, thường được làm bằng kim loại hoặc vật liệu có độ dẫn điện tốt, rất cần thiết để dẫn điện hiệu quả.
(5) Cảm biến. Nhiều cảm biến thương mại khác nhau có thể được sử dụng để theo dõi nhiệt độ, dòng điện, loại hợp chất và điện áp đầu ra của tế bào.
(6) Các thiết bị kiểm soát nhiệt, như lớp cách nhiệt, bộ làm mát, bộ trao đổi nhiệt và hệ thống thông gió.
(7) Vỏ bằng kim loại hoặc gốm thủy tinh. Vật liệu có thể sử dụng được ở nhiệt độ phòng, chẳng hạn như thép không gỉ 304, được sử dụng. Cần có vật liệu chịu nhiệt độ cao để tiếp xúc bên trong với SOFC, làm cho hợp kim kim loại thương mại thuận lợi cho việc giảm chi phí sản xuất.
Đặc trưng
Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) là loại pin nhiên liệu lý tưởng, không chỉ sở hữu những ưu điểm về hiệu suất cao và thân thiện với môi trường như các loại pin nhiên liệu khác mà còn có những đặc điểm nổi bật sau:
(1) SOFC có cấu trúc hoàn toàn chắc chắn, loại bỏ các vấn đề ăn mòn và mất chất điện phân liên quan đến việc sử dụng chất điện phân lỏng, mang lại khả năng hoạt động lâu dài.
(2) Hoạt động ở nhiệt độ từ 800 đến 1000 độ, SOFC không chỉ loại bỏ nhu cầu sử dụng chất xúc tác kim loại quý mà còn có thể sử dụng trực tiếp khí tự nhiên, khí tổng hợp và hydrocarbon làm nhiên liệu, đơn giản hóa hệ thống pin nhiên liệu.
(3) SOFC giải phóng nhiệt thải ở nhiệt độ cao, có thể được sử dụng trong chu trình kết hợp với tua bin khí hoặc tua bin hơi, cải thiện đáng kể hiệu suất phát điện tổng thể.
