Ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem

Zasada działania ceramicznego tlenkowego ogniwa paliwowego (SOFC)

Ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem, stałotlenkowe ogniwo paliwowe[1], ogniwo paliwowe z zestalonym elektrolitem tlenkowym, SOFC (z ang. Solid Oxide Fuel Cell) – ogniwa paliwowe charakteryzujące się zastosowaniem stałego materiału tlenkowego jako elektrolitu.

Wymagają 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 ograniczały 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 budowy i badania układów energetycznych z tymi ogniwami[2][3][4].

Budowa i zasada działania

Elektrolitem najczęściej stosowanym w 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, węglowodory (np. CH4), jak również alternatywne nośniki energii, w tym eter dimetylowy (DME)[5] oraz biogaz[6].

Kierunkiem rozwoju ogniw SOFC jest obniżanie temperatury pracy poniżej 700 °C a nawet poniżej 600 °C. Dzięki temu można zastosować, w miejsce złożonych stopów wysokochromowych, stalową konstrukcję elementów nośnych stosu z ogniwami SOFC. Umożliwia to poprawę szczelności i osiągnięcie hermetyczności ogniw zgrupowanych w stosie ogniw paliwowych.

Reakcje zachodzące w ogniwie są następujące:

Katoda: O
2 + 4e−
 → 2O2−
Anoda: 2H
2 + 2O2−
 → 2H
2O + 4e−

Etapy pracy ogniwa:

  • absorpcja cząsteczki tlenu na katodzie oraz 2 cząsteczek wodoru na anodzie,
  • jonizacja 2 atomów tlenu na katodzie oraz jonizacja 4 atomów wodoru do 4 protonów na anodzie,
  • migracja 2 anionów tlenu przez elektrolit od katody do anody,
  • rekombinacja na anodzie 2 anionów tlenu i 4 protonów do 2 cząsteczek wody i jej wydalenie.
Przykład ogniw SOFC wytwarzanych w Polsce - ogniwa o średnicy 80 mm opracowane w Instytucie Energetyki

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 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.

Jednym z kluczowych kierunków rozwoju technologii ogniw stałotlenkowych jest zastosowanie niskokosztowych technik wytwarzania, które mogą umożliwić znaczącą redukcję kosztu jednostkowego. Przekłada się to bezpośrednio na możliwość redukcji kosztu ogniwa. W tym zakresie, przełomowym rozwiązaniem jest zastosowanie metody wtrysku wysokociśnieniowego ceramiki[7]. Technologia ta stanowi analogię do metod masowego wytwarzania elementów wykonanych z tworzyw sztucznych, których docelowy kształt jest uzyskiwany poprzez zastosowanie dedykowanej matrycy-formy, do której wtryskiwany jest materiał.

Przypisy

  1. ↑ Janusz Lewandowski, Badanie, modelowanie oraz optymalizacja elektrowni szczytowo-wodorowej opartej o stałotlenkowe ogniwo paliwowe (SOFC) oraz stałotlenkowy elektrolizer (SOEC), Wyszukiwarka projektów finansowanych przez NCN [dostęp 2021-04-02].
  2. ↑ Jakub Kupecki, Jarosław Milewski, Janusz Jewulski, Investigation of SOFC material properties for plant-level modeling, „Open Chemistry”, 11 (5), 2013, s. 664–671, DOI: 10.2478/s11532-013-0211-x [dostęp 2021-04-02] (ang.).
  3. ↑ Jaroslaw Milewski, Andrzej Miller, Influences of The Type and Thickness of Electrolyte on Solid Oxide Fuel Cell Hybrid System Performance, „Journal of Fuel Cell Science and Technology”, 3 (4), 2006, s. 396–402, DOI: 10.1115/1.2349519 [dostęp 2021-04-02] (ang.).
  4. ↑ J. Kupecki i inni, Evaluation of Sensitivity of a Micro-CHP Unit Performance to SOFC Parameters, „ECS Transactions”, 51 (1), 2013, s. 107–116, DOI: 10.1149/05101.0107ecst [dostęp 2021-04-02] (ang.).
  5. ↑ Jakub Kupecki, Off-design analysis of a micro-CHP unit with solid oxide fuel cells fed by DME, „International Journal of Hydrogen Energy”, 40 (35), 2015, s. 12009–12022, DOI: 10.1016/j.ijhydene.2015.06.031 [dostęp 2021-04-02] (ang.).
  6. ↑ Jakub Kupecki i inni, Experimental and numerical analysis of a serial connection of two SOFC stacks in a micro-CHP system fed by biogas, „International Journal of Hydrogen Energy”, 42 (5), 2017, s. 3487–3497, DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.07.222 [dostęp 2021-04-02] (ang.).
  7. ↑ Jakub Kupecki i inni, Characterization of a circular 80 mm anode supported solid oxide fuel cell (AS-SOFC) with anode support produced using high-pressure injection molding (HPIM), „International Journal of Hydrogen Energy”, 44 (35), 2019, s. 19405–19411, DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.02.143 [dostęp 2021-04-02] (ang.).

Bibliografia

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

Media użyte na tej stronie

HITEP SOFC.jpg
Autor: Jakub.kupecki, Licencja: CC BY-SA 4.0
Przykład ogniw SOFC wytwarzanych w Polsce - ogniwa o średnicy 80 mm opracowane w Instytucie Energetyki
Stałotlenkowe Ogniwo Paliwowe.png
Autor: greg, Licencja: CC BY-SA 3.0
Ceramiczne tlenkowe ogniwo paliwowe (SOFC)