Ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Zasada działania ceramicznego tlenkowego ogniwa paliwowego (SOFC)

Ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem (inaczej: z zestalonym elektrolitem tlenkowym, SOFC (ang. Solid Oxide Fuel Cell) – rodzaj ogniwa paliwowego, wymagającego wysokiej temperatury pracy (ok. 600–1000 °C). Ciepło uzyskiwane za pomocą tego ogniwa może być wykorzystane w kogeneracji. Początkowo znaczne wymiary, wysoka temperatura pracy i znaczny czas rozruchu ograniczają zastosowanie ogniw SOFC do rozwiązań do stałej zabudowy. Późniejszy rozwój technologiczny pozwolił na zastosowanie tego typu ogniw również w transporcie.

Produkcją ogniw tlenkowych zajmują się następujące firmy: Siemens (Niemcy), Rolls-Royce (Wielka Brytania), Ballard, Cummins & McDermott, Honeywell (USA), Sulzer Innotec (Szwajcaria), Topsoe Fuel Cell (Dania), Kyocera (Japonia). Od 2004 r. ogniwa SOFC produkuje się również w Polsce, m.in. w Instytucie Energetyki. Realizowane w Polsce prace związane z ogniwami SOFC dotyczą badań podstawowych, prac o charakterze aplikacyjnym oraz analizy pracy układów z tymi ogniwami[1][2][3].

Budowa i zasada działania[edytuj | edytuj kod]

Elektrolitem najczęściej obecnie stosowanym ogniwach SOFC jest tlenek cyrkonu (ZrO2) domieszkowany tlenkiem itru (Y2O3), który w temperaturze powyżej 800 °C zaczyna przewodzić poprzez mechanizm transportu wolnych anionów tlenkowych (O2-). Ponadto materiał ten jest wystarczająco dobrym izolatorem z punktu widzenia przewodnictwa elektronowego, co zapobiega rozładowywaniu ładunku powstałego pomiędzy elektrodami bezpośrednio poprzez elektrolit. Anodę w najczęściej spotykanych rozwiązaniach stanowi porowaty tzw. cermet niklowy (Ni-YSZ) lub kobaltowy (Co-YSZ). W rozwiązaniu tym nikiel jest katalizatorem reakcji utleniania paliwa (wodoru) natomiast YSZ pełni dwojaką funkcję: pozwala dostosować rozszerzalność termiczną anody oraz zapewnia transport jonów tlenowych. Katodę w najczęściej spotykanych rozwiązaniach stanowi perowskit (La,Sr)MnO3. Paliwem w tych ogniwach może być CO, H2 i węglowodory, np. CH4.

Firmie Globalt (Kanada) udało się opracować elektrolit pracujący w niższej temperaturze (700 °C), dzięki czemu można było zastosować, zamiast ceramicznej, stalową konstrukcję. Umożliwiło to poprawę szczelności i osiągnięcie hermetyczności ogniw. Dzięki temu stało się możliwe wykorzystanie energii cieplnej z tych ogniw do produkcji pary wodnej grzejnej lub napędzającej turbinę parową.

Etapy reakcji zachodzących w ogniwie są następujące:

Katoda: O2 + 4e → 2O2−
Anoda: 2H2 + 2O2− → 2H2O + 4e

Etapy pracy ogniwa:

  1. – absorpcja cząsteczki tlenu na katodzie oraz 2 cząsteczek wodoru na anodzie,
  2. – jonizacja 2 atomów tlenu na katodzie oraz jonizacja 4 atomów wodoru do 4 protonów na anodzie,
  3. – migracja 2 anionów tlenu przez elektrolit od katody do anody,
  4. – rekombinacja na anodzie 2 anionów tlenu i 4 protonów do 2 cząsteczek wody i jej wydalenie.

Ogniwa tlenkowe charakteryzują się następującymi zaletami: nie zawierają płynów, są dynamiczne i bardzo trwałe, mogą bowiem pracować ponad 13 000 godzin, a dzięki wysokiej temperaturze można przeprowadzić reforming paliwa (konwersje do wodoru) wewnątrz samego ogniwa, bez konieczności stosowania dodatkowych zespołów zewnętrznych ze specyficznymi i drogimi katalizatorami. W ogniwach tych nie jest również konieczny obieg CO2, który jest nieodzowny w ogniwach węglanowych (MCFC).

Ogniwa tlenkowe mają też swoje wady, z których najważniejsze to: wysoka temperatura pracy, która wywołuje duże naprężenia mechaniczne i kłopoty z uszczelnianiem, duża oporność elektrolitu, która ma wpływ na zmniejszenie sprawności ogniwa.

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

  • Witold M. Lewandowski: Proekologiczne odnawialne źródła energii. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2006. ISBN 83-204-3112-3.

Przypisy

  1. Kupecki J., Milewski J., Jewulski J.. Investigation of SOFC material properties for plant-level modeling. „Central European Journal of Chemistry”. 5 (11), s. 664-671, 2013. doi:10.2478/s11532-013-0211-x. 
  2. Milewski J, Miller A.. Influences of The Type and Thickness of Electrolyte on Solid Oxide Fuel Cell Hybrid System Performance. „Journal of Fuel Cell Science and Technology”. 4 (3), s. 396-402, 2006. doi:10.1115/1.2349519. 
  3. Kupecki J., Milewski J., Badyda K., Jewulski J.. Evaluation of Sensitivity of a Micro-CHP Unit Performance to SOFC Parameters. „ECS Transcations”. 1 (51), s. 107-116, 2013. doi:10.1149/05101.0107ecst.