Fast oksid brenselcelle

En fast oksid brenselcelle (forkortet til SOFC fra engelsk Solid-oxide fuel cell) er en viktig type brenselcelleteknologi som kjennetegnes av operasjonstemperatur opp mot 1000°C. En SOFC er fleksibel med hensyn til brensel, den kan drives på både ren hydrogen, naturgass, gassifisert biomasse eller andre fossile brensler. Det er fordelaktig for å oppnå høy virkningsgrad på brenselet når hydrogen likevel er laget fra naturgass.

Skjematisk diagram for en fast oksid brenselcelle

Fordelene med denne klassen av brenselceller inkluderer høy kombinert varme- og energieffektivitet, langvarig stabilitet, drivstoff-fleksibilitet, lave utslipp og relativt lave kostnader. Den største ulempen er den høye driftstemperaturen som resulterer i lengre oppstartstider og problemer med mekanisk og kjemisk kompatibilitet.

Introduksjon

Fast oksid brenselceller er en klasse av brenselceller karakterisert ved bruk av et fast oksidmateriale som elektrolytt. SOFC bruker en solid oksidelektrolytt for å lede negative oksygenioner fra katoden til anoden. Den elektrokjemiske oksidasjonen av hydrogen, karbonmonoksid eller andre organiske mellomprodukter av oksygenioner skjer således på anodesiden. Mer nylig utvikles protonledende SOFC (PC-SOFC) som transporterer protoner i stedet for oksygenioner gjennom elektrolytten med den fordelen at de kan kjøres ved lavere temperaturer enn tradisjonelle SOFC.

De opererer ved veldig høye temperaturer, vanligvis mellom 500 og 1000 °C. Ved disse temperaturene krever SOFC ikke dyrt platina som katalysator, slik det for øyeblikket er nødvendig for brenselceller med lavere temperatur som PEMFC, og er ikke sårbare for karbonmonoksidforgiftning. Imidlertid har sårbarhet for svovelforgiftning blitt observert i stor grad, og svovelet må fjernes før det kommer inn i cellen ved bruk av adsorberende daler eller andre midler.

Fast oksid brenselceller har et bredt spekter av applikasjoner, fra bruk som hjelpekraftenheter i biler til stasjonær kraftproduksjon med utganger fra 100 W til 2 MW. I 2009 oppnådde det australske selskapet Ceramic Fuel Cells suksess med en SOFC-enhet opp til det tidligere teoretiske merket på 60%. Den høyere driftstemperaturen gjør at SOFC-er egnede kandidater for påføring med enheter for gjenvinning av varmemotor eller kombinert varme og kraft, noe som ytterligere øker den totale drivstoffeffektiviteten.

På grunn av disse høye temperaturene kan lett hydrokarbondrivstoff, som metan, propan og butan, reformeres internt i anoden. SOFC kan også få drivstoff ved å reformere tyngre hydrokarboner, for eksempel bensin, diesel, jetdrivstoff (JP-8) eller biodrivstoff. Slike reformater er blandinger av hydrogen, karbonmonoksid, karbondioksid, damp og metan, dannet ved å omsette hydrokarbondrivstoffene med luft eller damp i en anordning oppstrøms SOFC-anode. SOFC-kraftsystemer kan øke effektiviteten ved å bruke varmen som avgis av den eksoterme elektrokjemiske oksidasjonen i brenselcellen for endoterm dampreformeringsprosess. I tillegg kan faste brensler som kull og biomasse forgasses for å danne syngas som er egnet for drivstoff med SOFC i integrerte forgassingsbrenselcellseffektsykluser.

Termisk ekspansjon krever en jevn og velregulert oppvarmingsprosess ved oppstart. SOFC-stabler med plan geometri krever i størrelsesorden en time å bli oppvarmet til driftstemperatur. Mikrorør-formet brenselcelledesign geometrier lover mye raskere oppstartstider, vanligvis i størrelsesorden minutter.

I motsetning til de fleste andre typer brenselceller, kan SOFC ha flere geometrier. Den plane geometrien for brenselcelledesign er den typiske sandwich-geometrien som brukes av de fleste typer brenselceller, der elektrolytten er klemt inn mellom elektrodene. SOFC kan også lages i rørformede geometrier hvor enten luft eller drivstoff føres gjennom innsiden av røret og den andre gassen føres langs utsiden av røret. Den rørformede utformingen er fordelaktig fordi det er mye lettere å tette luft fra drivstoffet. Ytelsen til det plane designen er for tiden bedre enn ytelsen til den rørformede designen, fordi det plane designen har en lavere motstand. Andre geometri av SOFC inkluderer modifiserte plane brenselcelle-design (MPC eller MPSOFC), hvor en bølgelignende struktur erstatter den tradisjonelle flate konfigurasjonen av den plane cellen. Slike design er svært lovende fordi de deler fordelene med både plane celler (lav motstand) og rørformede celler.

Betjening

Tverrsnitt av tre keramiske lag av en rørformet SOFC. Fra indre til ytre: porøs katode, tett elektrolytt, porøs anode

En solid oksidbrenselcelle består av fire lag, hvorav tre er keramikk (derav navnet). En enkelt celle som består av disse fire lagene som er stablet sammen, er vanligvis bare noen få millimeter tykk. Hundrevis av disse cellene blir deretter koblet i serie for å danne det folk flest omtaler som en "SOFC-stabel". Keramikken som brukes i SOFC, blir ikke elektrisk og ionisk aktiv før de når veldig høy temperatur, og som en konsekvens må stablene opereres ved temperaturer fra 500 til 1000 °C. Reduksjon av oksygen til oksygenioner skjer ved katoden. Disse ionene kan deretter diffundere gjennom den faste oksidelektrolytten til anoden der de kan elektrokjemisk oksidere drivstoffet. I denne reaksjonen avgis et vannbiprodukt i tillegg til to elektroner. Disse elektronene strømmer deretter gjennom en ekstern krets der de kan utføre arbeid. Syklusen gjentas da disse elektronene kommer inn i katodematerialet igjen.

Balanse av anlegget

Det meste av nedetiden til en SOFC stammer fra den mekaniske balansen i anlegget, luftvarmeren, forformeren, etterbrenneren, vannvarmeveksleren, anodehalsgassoksidatoren og den elektriske balansen mellom anlegg, kraftelektronikk, hydrogensulfidsensor og vifter. Intern reformering fører til en stor reduksjon i balansen mellom anleggskostnadene ved utforming av et komplett system.

Anode

Det keramiske anodelaget må være veldig porøst for å tillate drivstoffet å strømme mot elektrolytten. Derfor blir granulært materiale ofte valgt for anodeproduksjonsprosedyrer. I likhet med katoden, må den lede elektroner, der ionisk ledningsevne en bestemt egenskap til materialet. Anoden er vanligvis det tykkeste og sterkeste laget i hver enkelt celle, fordi det har de minste polarisasjonstapene, og er ofte det laget som gir cellen mekaniske støtte. Elektrokjemisk sett er anodens jobb å bruke oksygenionene som diffunderer gjennom elektrolytten for å oksidere hydrogenbrenselet. Oksidasjonsreaksjonen mellom oksygenionene og hydrogenet produserer varme så vel som vann og elektrisitet. Hvis drivstoffet er et lett hydrokarbon, for eksempel metan, er en annen funksjon av anoden å fungere som en katalysator for dampreformering av drivstoffet til hydrogen. Dette gir en annen operativ fordel for brenselcellestakken fordi reformeringsreaksjonen er endoterm, som avkjøler stabelen internt. Det vanligste materialet som brukes er en cermet som består av nikkel blandet med det keramiske materialet som brukes til elektrolytten i den aktuelle cellen, typisk YSZ (yttria stabilisert zirconia) nanomaterialbaserte katalysatorer, denne YSZ-delen hjelper til med å stoppe kornveksten av nikkel . Større nikkelkorn vil redusere kontaktområdet som ioner kan ledes gjennom, noe som vil redusere cellens effektivitet. Perovskittmaterialer (blandet ionisk/elektronisk ledende keramikk) har vist seg å produsere en effekttetthet på 0,6 W/cm² ved 0,7 V ved 800 °C, noe som er mulig fordi de har evnen til å overvinne en større aktiveringsenergi.

Kjemisk reaksjon

${\ce {H2 +O2 -> H2O {+}2e}}$

Imidlertid er det noen ulemper forbundet med YSZ som anodemateriale. Ni grovdannelse, karbonavsetning, reduksjon-oksidasjon ustabilitet og svovelforgiftning er de viktigste hindringene som begrenser den langsiktige stabiliteten til Ni-YSZ. Ni grovhet refererer til utviklingen av Ni-partikler i dopet i YSZ blir større i kornstørrelse, noe som reduserer overflatearealet for den katalytiske reaksjonen. Karbonavsetning forekommer når karbonatomer, dannet ved hydrokarbonpyrolyse eller CO-proporsjonering, avsettes på den Ni-katalytiske overflaten. Kullavsetning blir viktig, spesielt når hydrokarbondrivstoff brukes, dvs. metan, syngas. Den høye driftstemperaturen til SOFC og det oksiderende miljøet letter oksidasjonen av Ni-katalysator gjennom reaksjon${\ce {Ni + 1/2O2 = NiO}}$. Oksidasjonsreaksjonen av Ni reduserer den elektrokatalytiske aktiviteten og ledningsevnen. Videre forårsaker tetthetsforskjellen mellom Ni og NiO volumendring på anodeoverflaten, noe som potensielt kan føre til mekanisk svikt. Svovelforgiftning oppstår når drivstoff som naturgass, bensin eller diesel brukes. Igjen, på grunn av den høye affiniteten mellom svovelforbindelser ${\ce {(H2S, (CH3)2S)}}$ og metallkatalysatoren, kan selv de minste urenheter av svovelforbindelser i matestrømmen deaktivere Ni-katalysatoren på YSZ-overflaten.

Elektrolytt

Elektrolytten er et tett lag av keramikk som leder oksygenioner. Den elektroniske ledningsevnen må holdes så lav som mulig for å forhindre tap fra lekkasjestrømmer. De høye driftstemperaturene til SOFC tillater kinetikken til oksygeniontransport å være tilstrekkelig for god ytelse. Imidlertid, når driftstemperaturen nærmer seg den nedre grensen for SOFC på rundt 600 °C, begynner elektrolytten å ha store ioniske transportmotstander og påvirker ytelsen. Populære elektrolyttmaterialer inkluderer yttria-stabilisert zirkoniumdioksid (YSZ) (ofte 8%, og danner 8YSZ), skandia-stabilisert zirkoniumdioksid (ScSZ) (vanligvis 9 mol% Sc₂O₃ – 9ScSZ) og gadolinium-dopet ceria (GDC). Elektrolyttmaterialet har avgjørende innflytelse på presentasjonen til cellen. Skadelige reaksjoner mellom YSZ-elektrolytter og moderne katoder som lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF) er funnet, og kan forhindres av tynne (<100 nm) ceria diffusjonsbarrierer.

Katode

Katoden, eller luftelektroden, er et tynt porøst lag på elektrolytten der oksygenreduksjon finner sted. Den samlede reaksjonen er skrevet i Kröger-Vink Notation som følger:

${\frac {1}{2}}\mathrm {O_{2}(g)} +2\mathrm {e'} +{V}_{o}^{\bullet \bullet }\longrightarrow {O}_{o}^{\times }$

Katodematerialer må minst være elektrisk ledende. For tiden er lanthanum strontium manganite (LSM) det valgte katodematerialet for kommersiell bruk på grunn av dets kompatibilitet med dopede zirkoniumelektrolytter. Mekanisk har den en lignende koeffisient for termisk ekspansjon som YSZ og begrenser dermed spenningsoppbygging på grunn av CTE-uoverensstemmelse. LSM har også lave nivåer av kjemisk reaktivitet med YSZ, noe som forlenger materialets levetid. Dessverre er LSM en dårlig ioneleder, og derfor er den elektrokjemisk aktive reaksjonen begrenset til trippelfasegrensen (TPB) der elektrolytten, luften og elektroden møtes. LSM fungerer godt som katode ved høye temperaturer, men ytelsen faller raskt ettersom driftstemperaturen senkes under 800 °C. For å øke reaksjonssonen utover TPB, må et potensielt katodemateriale kunne lede både elektroner og oksygenioner. Komposittkatoder bestående av LSM YSZ har blitt brukt for å øke denne trippelfasegrenselengden. Mixed ionic/electronic conducting (MIEC) keramikk, slik som perovskite LSCF, blir også undersøkt for bruk i SOFCer med mellomtemperatur, ettersom de er mer aktive og kan kompensere for økningen i reaksjonsaktiveringsenergi.

Miljøvennlig SOFC teknologi

Den viktigste motivasjonen for å utvikle høytemperatur brenselcelleteknologi er en betydelig miljøgevinst. Strømgeneratorer og kraftverk basert på SOFC kan oppnå høy virkningsgrad, selv på små anlegg. Strøm til for eksempel en boligblokk kan produseres lokalt fra naturgass, der spillvarmen kan brukes til vannbåren varme, noe som kan gi over 80% virkningsgrad på brenselet. Mindre SOFC kraftverk egner seg også ypperlig for strømproduksjon fra Biomasse i moderat befolkede distrikter med mye skog og landbruksvirksomhet. I mer avanserte anlegg kan varmen fra brenselcellene brukes til CO₂-rensing, noe som hindrer energitapet med dagens renseteknologi og reduserer kostnadene betraktelig.