เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC) คืออะไร?

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC) ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าเซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอเนตหลอมเหลว โดยมีอุณหภูมิในการทำงานตั้งแต่ 800 ถึง 1,000 องศา ในเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้ แรงเคลื่อนไฟฟ้ามีต้นกำเนิดจากแรงดันย่อยของออกซิเจนที่แตกต่างกันบนทั้งสองด้านของเซลล์ แต่ละเซลล์ประกอบด้วยอิเล็กโทรด 2 อิเล็กโทรด (อิเล็กโทรดเชื้อเพลิงเป็นอิเล็กโทรดลบและอิเล็กโทรดออกซิแดนท์เป็นอิเล็กโทรดบวก) และอิเล็กโทรไลต์ หน้าที่หลักของแอโนดและแคโทดคือการนำอิเล็กตรอนและเป็นช่องทางการแพร่กระจายสำหรับก๊าซปฏิกิริยาและก๊าซผลิตภัณฑ์

อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งจะแยกก๊าซออกจากกันทั้งสองด้าน เนื่องจากแรงดันย่อยของออกซิเจนที่แตกต่างกันทั้งสองด้าน จึงเกิดการไล่ระดับทางเคมีของออกซิเจน ภายใต้อิทธิพลของการไล่ระดับศักย์ทางเคมีนี้ ไอออนของออกซิเจนที่ได้รับอิเล็กตรอนที่แคโทดจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วบวกผ่านอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง ที่ขั้วบวก อิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกมา ทำให้เกิดศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วทั้งสอง

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC) ได้รับการขนานนามว่าเป็นเซลล์เชื้อเพลิงรุ่นที่สาม โดยมีโลหะออกไซด์ที่เป็นของแข็งและไม่มีรูพรุนเป็นอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งไอออนของออกซิเจนจะส่งผ่านภายในคริสตัลเพื่อขนส่งไอออน ขณะนี้เทคโนโลยีได้มาถึงขั้นตอนที่สมบูรณ์แล้ว อย่างไรก็ตาม เนื่องจากวัสดุมีจำนวนจำกัดซึ่งสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงและมีต้นทุนสูง การพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงอุณหภูมิปานกลางจึงมีการเปลี่ยนแปลงไป

หลักการ

 

เมื่อเซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC) ทำงานโดยใช้ก๊าซฟอร์แมต (ส่วนผสมของไฮโดรเจนและ CO) เป็นเชื้อเพลิง ปฏิกิริยาต่อไปนี้จะเกิดขึ้นภายในเซลล์เชื้อเพลิง:

 

ที่แคโทด โมเลกุลของออกซิเจนจะได้รับอิเล็กตรอนและถูกรีดิวซ์เป็นไอออนของออกซิเจน กล่าวคือ

O₂+4e⁻→2O²⁻

ภายใต้อิทธิพลของความต่างศักย์และแรงผลักดันความเข้มข้นทั้งสองด้านของเมมเบรนอิเล็กโทรไลต์ ไอออนของออกซิเจนผ่านตำแหน่งที่ว่างของออกซิเจนในเมมเบรนอิเล็กโทรไลต์ จะเกิดการเปลี่ยนผ่านโดยตรงไปยังด้านแอโนดและทำปฏิกิริยาออกซิเดชันกับเชื้อเพลิง กล่าวคือ

H₂+O^2-→H₂O+2e^-

โค+โอ^2-→คาร์บอนไดออกไซด์₂+2e^-

ปฏิกิริยาโดยรวม:

H₂+ซีโอ+โอ₂→คาร์บอนไดออกไซด์₂+H₂O

 

 

ส่วนประกอบ

เพื่อให้การทำงานของการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นไปอย่างราบรื่น ชุด SOFC (เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์) ควรมีส่วนประกอบดังต่อไปนี้:

(1) อุปกรณ์แปลงเคมีไฟฟ้าที่ประกอบด้วยอิเล็กโทรไลต์แข็งและทั้งแคโทดและแอโนด ในบรรดาวัสดุอิเล็กโทรไลต์ เซอร์โคเนียที่มีความเสถียรของอิตเทรียเป็นวัสดุที่ได้รับการพัฒนาเต็มที่ที่สุด

(2) นักปฏิรูปเชื้อเพลิง อุปกรณ์นี้ประกอบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา ตัวพา และคอนเทนเนอร์ โดยจะเปลี่ยนเชื้อเพลิงให้เป็นโมเลกุลก๊าซขนาดเล็ก เช่น มีเทน และวางไว้ที่ส่วนหน้าของเซลล์เพื่อแลกเปลี่ยนความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง

(3) ช่องทางขนส่งก๊าซและเชื้อเพลิง (หรือผู้จำหน่ายก๊าซ) โลหะมักใช้เป็นวัสดุท่อร้อยสายเพื่อให้แน่ใจว่ามีการแพร่กระจายและขนส่งสารตั้งต้นได้อย่างเหมาะสม

(4) ตัวสะสมกระแสไฟฟ้าหรือที่เรียกว่าแปรงไฟฟ้า ซึ่งโดยทั่วไปทำจากโลหะหรือวัสดุที่มีค่าการนำไฟฟ้าที่ดี เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการนำไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพ

(5) เซ็นเซอร์ สามารถใช้เซ็นเซอร์ต่างๆ ที่มีจำหน่ายในท้องตลาดเพื่อตรวจสอบอุณหภูมิ กระแสไฟฟ้า ประเภทสารประกอบ และแรงดันเอาต์พุตของเซลล์

(6) อุปกรณ์ควบคุมความร้อน เช่น ชั้นฉนวน เครื่องทำความเย็น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และระบบระบายอากาศ

(7) ตัวเรือนโลหะหรือแก้วเซรามิก มีการใช้วัสดุที่ใช้งานได้ที่อุณหภูมิห้อง เช่น สแตนเลส 304 วัสดุทนอุณหภูมิสูงจำเป็นสำหรับการสัมผัสภายในกับ SOFC ทำให้โลหะผสมเชิงพาณิชย์เหมาะสำหรับการลดต้นทุนการผลิต

ลักษณะเฉพาะ

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC) เป็นเซลล์เชื้อเพลิงประเภทหนึ่งในอุดมคติ ไม่เพียงแต่มีข้อดีประสิทธิภาพสูงและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเทียบเท่ากับเซลล์เชื้อเพลิงอื่นๆ เท่านั้น แต่ยังมีลักษณะเด่นดังต่อไปนี้:

 

 

(1) SOFC มีโครงสร้างที่แข็งแกร่งอย่างสมบูรณ์ ช่วยขจัดปัญหาการกัดกร่อนและปัญหาการสูญเสียอิเล็กโทรไลต์ที่เกี่ยวข้องกับการใช้อิเล็กโทรไลต์เหลว จึงมีศักยภาพในการทำงานในระยะยาว

 

 

(2) การทำงานที่อุณหภูมิระหว่าง 800 ถึง 1,000 องศา SOFC ไม่เพียงแต่ขจัดความจำเป็นในการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะมีค่าเท่านั้น แต่ยังสามารถใช้ก๊าซธรรมชาติ ซินกาส และไฮโดรคาร์บอนเป็นเชื้อเพลิงได้โดยตรง ซึ่งทำให้ระบบเซลล์เชื้อเพลิงง่ายขึ้น

 

 

(3) SOFC ปล่อยความร้อนทิ้งที่อุณหภูมิสูง ซึ่งสามารถนำไปใช้ในรอบรวมกับกังหันก๊าซหรือกังหันไอน้ำ ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าโดยรวมอย่างมีนัยสำคัญ