Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) arbeiten bei höheren Temperaturen als Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen, wobei die Arbeitstemperatur zwischen 800 und 1000 Grad liegt. Bei diesem Brennstoffzellentyp entsteht die elektromotorische Kraft durch unterschiedliche Sauerstoffpartialdrücke auf beiden Seiten der Zelle. Die einzelne Zelle besteht aus zwei Elektroden (der Brennstoffelektrode als negative Elektrode und der Oxidationsmittelelektrode als positive Elektrode) und einem Elektrolyten. Die Hauptfunktionen von Anode und Kathode bestehen darin, Elektronen zu leiten und Diffusionswege für Reaktionsgase und Produktgase bereitzustellen.
Der Festelektrolyt trennt die Gase auf beiden Seiten. Aufgrund der unterschiedlichen Sauerstoffpartialdrücke auf beiden Seiten entsteht ein chemischer Potentialgradient des Sauerstoffs. Unter dem Einfluss dieses chemischen Potentialgradienten bewegen sich Sauerstoffionen, die an der Kathode Elektronen aufgenommen haben, durch den Festelektrolyten in Richtung Anode. An der Anode werden Elektronen freigesetzt, wodurch zwischen den beiden Polen ein Spannungspotential entsteht.
Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) gelten als die dritte Generation von Brennstoffzellen mit einem festen, nicht porösen Metalloxid als Elektrolyt, durch das Sauerstoffionen innerhalb des Kristalls wandern, um Ionen zu transportieren. Die Technologie hat inzwischen ein ausgereiftes Stadium erreicht. Aufgrund der begrenzten Anzahl an Materialien, die bei hohen Temperaturen betrieben werden können, und ihrer hohen Kosten gibt es jedoch eine Verlagerung hin zur Entwicklung von Mitteltemperatur-Brennstoffzellen.
Prinzip
Wenn Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) mit Reformatgas (einer Mischung aus Wasserstoff und CO) als Brennstoff betrieben werden, findet in der Brennstoffzelle die folgende Reaktion statt:
An der Kathode nehmen Sauerstoffmoleküle Elektronen auf und werden zu Sauerstoffionen reduziert, d. h.
O2+4e−→2O2−
Unter dem Einfluss der Potentialdifferenz und der treibenden Kraft der Konzentration auf beiden Seiten der Elektrolytmembran durchlaufen Sauerstoffionen durch die Sauerstofffehlstellen in der Elektrolytmembran einen gerichteten Übergang zur Anodenseite und nehmen an Oxidationsreaktionen mit dem Brennstoff teil, d. h.
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→CO2+2e-
Gesamtreaktion:
H2+CO+O2→CO2+H2O
Zusammensetzung
Um die Funktion der Umwandlung elektrischer Energie reibungslos zu erfüllen, sollte ein SOFC-Stack (Solid Oxide Fuel Cell) die folgenden Komponenten enthalten:
(1) Eine elektrochemische Umwandlungsvorrichtung, die aus einem Festelektrolyten sowie einer Kathode und einer Anode besteht. Unter den Elektrolytmaterialien ist Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid das am weitesten entwickelte.
(2) Ein Kraftstoffreformer. Dieses Gerät umfasst einen Katalysator, einen Träger und einen Behälter. Es wandelt den Brennstoff in kleine gasförmige Moleküle wie Methan um und ist am vorderen Ende des Zellstapels positioniert, um die beim Brennstoffzellenbetrieb entstehende Wärme auszutauschen.
(3) Gas- und Kraftstofftransportkanäle (oder Gasverteiler). Metalle werden üblicherweise als Leitungsmaterialien verwendet, um eine optimale Diffusion und einen optimalen Transport der Reaktanten zu gewährleisten.
(4) Stromkollektoren, auch elektrische Bürsten genannt, bestehen typischerweise aus Metallen oder Materialien mit guter elektronischer Leitfähigkeit und sind für eine effiziente Leitung unerlässlich.
(5) Sensoren. Zur Überwachung von Temperatur, Strom, Verbindungsarten und Ausgangsspannung der Zelle können verschiedene handelsübliche Sensoren verwendet werden.
(6) Wärmekontrollgeräte wie Isolierschichten, Kühler, Wärmetauscher und Lüftungssysteme.
(7) Gehäuse aus Metall oder Glaskeramik. Es werden bei Raumtemperatur verwendbare Materialien wie Edelstahl 304 verwendet. Für den internen Kontakt mit der SOFC sind hochtemperaturbeständige Materialien erforderlich, wodurch kommerzielle Metalllegierungen günstig sind, um die Herstellungskosten zu senken.
Eigenschaften
Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) sind ein idealer Brennstoffzellentyp, der nicht nur die hohe Effizienz und die umweltfreundlichen Vorteile anderer Brennstoffzellen aufweist, sondern auch die folgenden herausragenden Eigenschaften aufweist:
(1) SOFCs haben eine vollständig feste Struktur, wodurch die Korrosionsprobleme und Elektrolytverlustprobleme, die mit der Verwendung flüssiger Elektrolyte verbunden sind, beseitigt werden, und bieten das Potenzial für einen Langzeitbetrieb.
(2) SOFCs arbeiten bei Temperaturen zwischen 800 und 1000 Grad und machen nicht nur Edelmetallkatalysatoren überflüssig, sondern können auch direkt Erdgas, Synthesegas und Kohlenwasserstoffe als Brennstoff nutzen, was das Brennstoffzellensystem vereinfacht.
(3) SOFCs setzen Hochtemperatur-Abwärme frei, die in kombinierten Kreisläufen mit Gasturbinen oder Dampfturbinen genutzt werden kann, wodurch die Gesamteffizienz der Stromerzeugung erheblich verbessert wird.
