Een Solid oxide fuel cell,vaste-oxidebrandstofcel (of SOFC) is een elektrochemisch conversieapparaat dat rechtstreeks elektriciteit produceert uit het oxideren van een brandstof. Brandstofcellen worden gekenmerkt door hun elektrolytmateriaal; de SOFC heeft een vast oxide of keramisch elektrolyt.
Voordelen van deze klasse brandstofcellen zijn onder meer een hoge warmtekrachtkoppelingsefficiëntie, stabiliteit op lange termijn, brandstofflexibiliteit, lage emissies en relatief lage kosten.
Het grootste nadeel is de hoge bedrijfstemperatuur, wat resulteert in langere opstarttijden en mechanische en chemische compatibiliteitsproblemen.
Ze werken bij zeer hoge temperaturen, meestal tussen 500 en 1.000 °C. Bij deze temperaturen hebben SOFC’s geen duur platinakatalysatormateriaal nodig, zoals momenteel nodig is voor brandstofcellen met een lagere temperatuur, zoals PEMFC‘s, en zijn ze niet kwetsbaar voor koolmonoxidekatalysatorvergiftiging. De kwetsbaarheid voor zwavelvergiftiging is echter algemeen waargenomen en de zwavel moet worden verwijderd voordat deze de cel binnengaat door het gebruik van adsorberende bedden of andere middelen.
Vast oxide brandstofcellen hebben een breed scala aan toepassingen, van gebruik als hulpaggregaat in voertuigen tot stationaire stroomopwekking met vermogens van 100 W tot 2 MW. In 2009 bereikte het Australische bedrijf Ceramic Fuel Cells met succes een efficiëntie van een SOFC-apparaat tot het eerder theoretische cijfer van 60%. De hogere bedrijfstemperatuur maakt SOFC’s geschikte kandidaten voor toepassing met warmteterugwinningsapparatuur voor warmtemotoren of warmtekrachtkoppeling, wat de algehele brandstofefficiëntie verder verhoogt.
Vanwege deze hoge temperaturen kunnen lichte koolwaterstofbrandstoffen, zoals methaan, propaan en butaan inwendig in de anode worden hervormd. SOFC’s kunnen ook van brandstof worden voorzien door het extern reformeren van zwaardere koolwaterstoffen, zoals benzine, diesel, vliegtuigbrandstof (JP-8) of biobrandstoffen. Dergelijke reformaten zijn mengsels van waterstof, koolmonoxide, kooldioxide, stoom en methaan, gevormd door de koolwaterstofbrandstoffen te laten reageren met lucht of stoom in een inrichting stroomopwaarts van de SOFC-anode. SOFC-energiesystemen kunnen de efficiëntie verhogen door de warmte te gebruiken die wordt afgegeven door de exotherme elektrochemische oxidatie in de brandstofcel voor het endotherme stoomreformingproces. Bovendien kunnen vaste brandstoffen zoals steenkool en biomassa worden vergast om syngas te vormen dat geschikt is voor het voeden van SOFC’s in geïntegreerde energiecycli voor vergassing van brandstofcellen.
Thermische uitzetting vereist een uniform en goed geregeld verwarmingsproces bij het opstarten. SOFC-stacks met vlakke geometrie moeten in de orde van een uur worden verwarmd tot bedrijfstemperatuur. De geometrieën van het microbuisvormige brandstofcelontwerp beloven veel snellere opstarttijden, meestal in de orde van minuten.
In tegenstelling tot de meeste andere soorten brandstofcellen, kunnen SOFC’s meerdere geometrieën hebben. De geometrie van het vlakke brandstofcelontwerp is de typische geometrie van het sandwichtype die wordt gebruikt door de meeste soorten brandstofcellen, waarbij de elektrolyt tussen de elektroden is ingeklemd. SOFC’s kunnen ook worden gemaakt in buisvormige geometrieën waarbij lucht of brandstof door de binnenkant van de buis wordt geleid en het andere gas langs de buitenkant van de buis. Het buisvormige ontwerp is voordelig omdat het veel gemakkelijker is om lucht van de brandstof af te sluiten. De prestatie van het vlakke ontwerp is momenteel echter beter dan de prestatie van het buisvormige ontwerp, omdat het vlakke ontwerp relatief een lagere weerstand heeft. Andere geometrieën van SOFC’s omvatten gemodificeerde planaire brandstofcelontwerpen (MPC of MPSOFC), waarbij een golfachtige structuur de traditionele platte configuratie van de vlakke cel vervangt. Dergelijke ontwerpen zijn veelbelovend omdat ze de voordelen delen van zowel vlakke cellen (lage weerstand) als buisvormige cellen.
Een vaste oxide brandstofcel is opgebouwd uit vier lagen, waarvan drie keramiek (vandaar de naam). Een enkele cel die uit deze vier op elkaar gestapelde lagen bestaat, is meestal slechts enkele millimeters dik. Honderden van deze cellen zijn vervolgens in serie verbonden om te vormen wat de meeste mensen een “SOFC-stack” noemen. De keramiek die in SOFC’s wordt gebruikt, wordt pas elektrisch en ionisch actief als ze een zeer hoge temperatuur bereiken en als gevolg daarvan moeten de stapels werken bij temperaturen van 500 tot 1.000 ° C. Reductie van zuurstof tot zuurstofionen vindt plaats aan de kathode. Deze ionen kunnen vervolgens door de vaste oxide-elektrolyt diffunderen naar de anode waar ze de brandstof elektrochemisch kunnen oxideren. Bij deze reactie wordt een waterbijproduct afgegeven, evenals twee elektronen. Deze elektronen stromen vervolgens door een extern circuit waar ze werk kunnen doen. De cyclus herhaalt zich vervolgens als die elektronen het kathodemateriaal weer binnenkomen.
Het grootste deel van de uitvaltijd van een SOFC komt voort uit de mechanische balans van de installatie, de luchtvoorverwarmer, prereformer, naverbrander, waterwarmtewisselaar, anodestaartgasoxidator en elektrische balans van de installatie, vermogenselektronica, waterstofsulfidesensor en ventilatoren. Interne hervorming leidt tot een grote verlaging van het saldo van de fabriekskosten bij het ontwerpen van een volledig systeem.
De keramische anodelaag moet zeer poreus zijn om de brandstof naar de elektrolyt te laten stromen. Dientengevolge wordt korrelige materie vaak geselecteerd voor anodefabricageprocedures. Net als de kathode moet deze elektronen geleiden, met ionische geleidbaarheid een duidelijke troef. De anode is gewoonlijk de dikste en sterkste laag in elke afzonderlijke cel, omdat deze de kleinste polarisatieverliezen heeft en vaak de laag is die de mechanische ondersteuning biedt. Elektrochemisch gesproken is het de taak van de anode om de zuurstofionen te gebruiken die door de elektrolyt diffunderen om de waterstofbrandstof te oxideren. De oxidatiereactie tussen de zuurstofionen en de waterstof produceert zowel warmte als water en elektriciteit. Als de brandstof een lichte koolwaterstof is, bijvoorbeeld methaan, is een andere functie van de anode om te werken als een katalysator voor het met stoom omvormen van de brandstof tot waterstof. Dit verschaft een ander operationeel voordeel voor de brandstofcelstapel omdat de reformeringsreactie endotherm is, waardoor de stapel inwendig wordt gekoeld. Het meest gebruikte materiaal is een cermet bestaande uit nikkel gemengd met het keramische materiaal dat wordt gebruikt voor de elektrolyt in die specifieke cel, meestal YSZ (yttria-gestabiliseerd zirkoniumoxide). Deze op nanomaterialen gebaseerde katalysatoren helpen de korrelgroei van nikkel te stoppen. Grotere nikkelkorrels zouden het contactoppervlak waar ionen doorheen kunnen worden geleid verkleinen, wat de efficiëntie van de cellen zou verlagen. Van perovskietmaterialen (gemengde ionische/elektronisch geleidende keramiek) is aangetoond dat ze een vermogensdichtheid van 0,6 W/cm2 produceren bij 0,7 V bij 800 °C, wat mogelijk is omdat ze een grotere activeringsenergie kunnen overwinnen.[7]
Er zijn echter enkele nadelen verbonden aan YSZ als anodemateriaal. Ni-vergroving, koolstofafzetting, reductie–oxidatie–instabiliteit en zwavelvergiftiging zijn de belangrijkste obstakels die de langetermijnstabiliteit van Ni-YSZ beperken. Ni-vergroving verwijst naar de evolutie van Ni–deeltjes in gedoteerd in YSZ die groter worden in korrelgrootte, waardoor het oppervlak voor de katalytische reactie kleiner wordt. Koolstofafzetting vindt plaats wanneer koolstofatomen, gevormd door koolwaterstofpyrolyse of CO-disproportionering, zich op het Ni-katalytische oppervlak afzetten. Koolstofafzetting wordt vooral belangrijk wanneer koolwaterstofbrandstoffen worden gebruikt, d.w.z. methaan, syngas. De hoge bedrijfstemperatuur van SOFC en de oxiderende omgeving vergemakkelijken de oxidatie van Ni-katalysator door reactie Ni + 1⁄2 O2 = NiO. De oxidatiereactie van Ni vermindert de elektrokatalytische activiteit en geleidbaarheid. Bovendien veroorzaakt het dichtheidsverschil tussen Ni en NiO een volumeverandering op het anodeoppervlak, wat mogelijk kan leiden tot mechanisch falen. Zwavelvergiftiging ontstaat wanneer brandstof zoals aardgas, benzine of diesel wordt gebruikt. Nogmaals, vanwege de hoge affiniteit tussen zwavelverbindingen (H2S, (CH3)2S) en de metaalkatalysator, kunnen zelfs de kleinste onzuiverheden van zwavelverbindingen in de voedingsstroom de Ni-katalysator op het YSZ-oppervlak deactiveren.[
Het huidige onderzoek is gericht op het verminderen of vervangen van het Ni-gehalte in de anode om de prestaties op lange termijn te verbeteren. Het gemodificeerde Ni-YSZ dat andere materialen bevat, waaronder CeO2, Y2O3, La2O3, MgO, TiO2, Ru, Co, enz., is uitgevonden om zwavelvergiftiging te weerstaan, maar de verbetering is beperkt vanwege de snelle initiële afbraak. Cerementanode op koperbasis wordt beschouwd als een oplossing voor koolstofafzetting omdat het inert is voor koolstof en stabiel is onder typische SOFC partiële zuurstofdruk (pO2). Cu-Co bimetaalanoden in het bijzonder vertonen een grote soortelijke weerstand van koolstofafzetting na blootstelling aan zuiver CH4 bij 800C. En Cu-CeO2-YSZ vertoont een hogere elektrochemische oxidatiesnelheid dan Ni-YSZ bij gebruik op CO en syngas, en kan zelfs hogere prestaties bereiken met CO dan H2, na toevoeging van een co-katalysator van kobalt. Oxide-anoden, waaronder fluoriet op basis van zirkoniumoxide en perovskieten, worden ook gebruikt om N . te vervangen i-keramische anodes voor koolstofbestendigheid. Chromiet, d.w.z. La0.8Sr0.2Cr0.5Mn0.5O3 (LSCM) wordt gebruikt als anoden en vertoonde vergelijkbare prestaties tegen Ni–YSZ cermetanoden. LSCM wordt verder verbeterd door Cu te impregneren en Pt te sputteren als de stroomafnemer.
Cruisedesko 
Je moet ingelogd zijn om een reactie te plaatsen.