Ogniwo Paliwowe z Elektrolitem Sta造m Tlenkowym (Solid Oxide Fuel Cell - SOFC)

W wysokotemperaturowych ogniwach tlenkowych elektrolit ciek造 zast徙iony zosta przez ceramiczn membran, kt鏎a jest dobrym przewodnikiem jon闚 tlenu. Elektrolitem jest warstwa ceramiczna z tlenku cyrkonu ZrO2 stabilizowanego tlenkiem itru Y2O3 (8-10 %mol), kt鏎a w temperaturze 1000°C jest doskona造m przewodnikiem anion闚 tlenowych. Przewodnictwo jonowe w elektrolicie zapewnione jest dzi瘯i jego odpowiedniej budowie, umo磧iwiaj帷ej przep造w tylko jon闚 tlenu O2-.

Ogniwo paliwowe ze sta造m tlenkiem

Schemat pogl康owy dzia豉nia ogniwa paliwowego typu SOFC. 廝鏚這: www.fctec.com

Taka konstrukcja ogniwa pozwala na transport przez elektrolit jon闚 tlenu, kt鏎e ulegaj jonizacji na katodzie. Po doj軼iu jon闚 do anody, wchodz one w reakcj z paliwem gazowym. Produktem tej reakcji jest woda (w przypadku paliwa wodorowego) i elektrony, kt鏎e mog p造n望 w obwodzie zewn皻rznym daj帷 pr康 elektryczny. Niezwykle wa積a jest mo磧iwo嗆 stosowania r騜nych paliw w SOFC, mo瞠 to by wod鏎, CO lub bardziej z這穎ne gazy, jak metan, propan czy etan.

Reakcja na ANODZIE

H2 + O2- → H2O + 2e-

Reakcja na KATODZIE

O2 + 2e- → 2O2-

ANODA Zazwyczaj oparta na ceramikach niklowych lub kobaltowych (Co-ZrO2 lub Ni-ZrO2), spiek Ni/YSZ o zawarto軼i 30 % Ni
KATODA LaSrMnO3 stabilizowane Y2O3
ELEKTROLIT Warstwa ceramiczna z tlenku cyrkonu (ZrO2) stabilizowanego tlenkiem itru Y2O3 (8-10% molowym); materia okre郵any jako YSZ (ang. Yttria Stablized Zirconia). W wysokich temperaturach posiada bardzo dobre w豉軼iwo軼i termiczne, mechaniczne oraz bardzo wysok przewodno嗆 jon闚 tlenowych
TEMPERATURA PRACY 650÷1000°C
STOSOWANE PALIWA H2, CH4, gaz ziemny, biogaz
SPRAWNO汎 45-60% (w kogeneracji – 85 %)

Cho SOFC jest ogniwem z najd逝窺zym nieprzerwanym okresem rozwoju, pocz患szy od p騧nych lat 50 XX wieku, to wci捫 jest sporo zagadnie materia這wych do rozwi您ania. Opracowanie tanich materia堯w odpornych na wysok temperatur jest kluczowym zagadnieniem. O ile materia造 katodowe i elektrolit wydaj si ju by dopracowane w stopniu zadawalaj帷ym i tym samym nie s przedmiotem intensywnych bada, o tyle cermety niklowe stosowane powszechnie jako materia造 anodowe wykazuj wiele niedoskona這軼i.

Obni瞠nie temperatury pracy tlenkowych ogniw paliwowych (SOFC) do ok. 600–800°C (z ang. Intermediate Temperature solid oxide fuel cell, IT-SOFC) jest celem strategicznym tej technologii w 鈍iecie. W wielu o鈔odkach naukowych podejmuje si r騜norodne pr鏏y rozwi您ania powy窺zego problemu. Jednym z kierunk闚 badawczych jest poszukiwanie nowych przewodnik闚 jon闚 tlenu lub protonowych o strukturze krystalograficznej, zapewniaj帷ej wysokie warto軼i przewodno軼i jonowej w temperaturach ok. 600–800°C.

Specyficzne warunki eksploatacji tych ogniw wymagaj od materia堯w elektrodowych i interkonektor闚 d逝gotrwa貫j stabilno軼i termicznej i chemicznej, a tak瞠 odporno軼i na korozj wysokotemperaturow w 鈔odowiskach utleniaj帷o-redukcyjnych, co ze wzgl璠u na ceny komponent闚 znacznie podnosi koszty ich produkcji, limituje ich sprawno嗆, a w konsekwencji skraca czas funkcjonowania urz康zenia. Wysoka temperatura pracy (i wykonania ogniwa) w po陰czeniu z pewn nieuniknion r騜nic wsp馧czynnik闚 rozszerzalno軼i termicznej poszczeg鏊nych komponent闚 ogniwa powoduje, 瞠 ogniwo nara穎ne jest na znaczne napr篹enia termiczne, kt鏎e mog 豉two doprowadzi do zniszczenia ceramicznych element闚. Z drugiej strony brak w ogniwie fazy ciek貫j, umo磧iwia do嗆 swobodne kszta速owanie jego geometrii. St康 pojedyncze ogniwa SOFC s wytwarzane w r騜norodnej geometrii (rurowe, p豉skie monolityczne, jednokomorowe), co sprawia, 瞠 s one cz瘰to stosowane w przemy郵e energetycznym (posiadaj najwi瘯sz spo鈔鏚 innych ogniw mo磧iw do uzyskania moc). Poza tym wysoka temperatura gaz闚 resztkowych pozwala na wykorzystanie ich w turbinie gazowej sprz篹onej z elektrogeneratorem, co podnosi ca趾owit sprawno嗆 uk豉du nawet do 80%. Ponadto tlenkowe ogniwa paliwowe s 豉twe w budowie, tanie w eksploatacji i odporne na zniszczenia powsta貫 w czasie pracy.

Z wielu mo磧iwych rozwi您a technologicznych najwi瘯szego post瘼u dokonano w rozwoju ogniw rurowych (Westinghouse - Siemens), a tak瞠 w konstrukcji ogniw monolitycznych (np. Allied - Signal). Ogniwo rurowe, z kt鏎ym wi捫e si du瞠 nadzieje, jest rur tr鎩warstwow. Warstwa wewn皻rzna jest omywana paliwem i stanowi anod, warstwa 鈔odkowa to elektrolit, za warstwa zewn皻rzna to katoda. Utleniacz przep造wa na zewn徠rz rury. Rozwi您anie rurowe u豉twia m.in. rozwi您anie problemu szczelno軼i i minimalizuje przecieki.

Ogniwo paliwowe ze sta造m tlenkiem

Ogniwo paliwowe typu SOFC o kszta販ie rurowym

Zastosowanie ogniw SOFC: du瞠 systemy energetyczne (w tym kombinowane) o mocy od kW do wielu MW.

Zalety ogniw SOFC to:

  • Mo磧iwo軼i konstrukcyjne r騜nych kszta速闚 (planarne, monolityczne, rurowe),
  • Wy窺za sprawno嗆 w por闚naniu z innymi ogniwami (45-60%),
  • D逝gi czas 篡cia rz璠u 40 000 h,
  • Dost瘼no嗆 i niska cena potrzebnych do budowy materia堯w ceramicznych (nie stosuje si metali szlachetnych, w tym Pt),
  • CO mo瞠 by sk豉dnikiem paliwa,
  • ζtwo嗆 operowania elektrolitem i odpadami (w por闚naniu do elektrolit闚 ciek造ch, kt鏎e powoduj korozj oraz s trudne do przechowywania i transportu),
  • Wysokiej jako軼i ciep這 zrzutowe (si這wnie energii skojarzonej osi庵aj sprawno嗆 ponad 80-85%),
  • Mo磧iwo嗆 realizacji wewn皻rznego reformingu paliw w璕lowodorowych.

Wady ogniw SOFC to:

  • Problem z otrzymaniem elektrolitu sta貫go pozbawionego porowato軼i otwartej,
  • Problemy z uszczelnieniem stosu,
  • Ogniwo SOFC wymaga licznych i skomplikowanych system闚 wspomagaj帷ych prac (podgrzewacze powietrza i paliwa, urz康zenia ch這dz帷e),
  • Skomplikowana procedura rozruchowa,
  • Wysokie koszty otrzymania paliwa o po膨danej czysto軼i (np. otrzymanie czystego H2).

Jak informuje czasopismo Fuel Cell Industry Report (Czerwiec 2008, Vol. 9, No.6) Unia Europejska przeznaczy豉 1 mln euro na projekt rozwoju ceramicznych ogniw paliwowych SOFC zasilanych metanolem, maj帷ych stanowi nap璠 statk闚 瞠glugi morskiej. Projekt ten jest realizowany przez Konsorcjum koordynowane przez fi雟k korporacj Wartsila, w sk豉d kt鏎ego, obok Wartsila, wchodz: Lloyd's Register, Wallenius Marine, Uniwersytet Genua oraz Det Norske Veritas AS

Opis ogniwa SOFC powsta w oparciu o poni窺ze 廝鏚豉:

  1. Adamowicz K. i in., Zastosowanie ceramicznych przewodnik闚 jonowych do budowy urz康ze elektrochemicznych, Krakowska Konferencja M這dych Uczonych, 2009 [pozycja w dziale DO POBRANIA]