Polttokennot on oksidi kiinteät aineet (tai SOFC akronyymi kiinteäoksidipolttokennosarja solut ) on järjestetty pääasiassa kiinteissä sovelluksissa, joiden teho 1 kW 2 MW. Ne toimivat hyvin korkeissa lämpötiloissa, tyypillisesti välillä 450 ° C ja 1000 ° C: n (723 ja 1273 K). Niiden kaasumaisia päästöjä voidaan käyttää sekundaarisen kaasuturbiinin käyttämiseen sähköisen hyötysuhteen parantamiseksi . Hyötysuhde voi nousta 70 prosenttiin hybridijärjestelmissä , joita kutsutaan yhdistetyiksi lämpö- ja sähköjärjestelmiksi tai yhteistuotannoksi (englanniksi: yhdistetty lämpö- ja sähkölaite tai CHP ). Näissä soluissa happi- ionit syrjäytetään kiinteässä oksidissa, joka on otettu elektrolyyttinä korkeassa lämpötilassa reagoimaan vedyn kanssa anodipuolella . SOFC- yhdisteiden korkean käyttölämpötilan takia kalliita katalyyttejä ei tarvita , kuten protonienvaihtokalvon polttokennoissa ( esim. Platina ). Tämä tarkoittaa, että SOFCs ei tapahdu myrkytys katalyytti mukaan hiilimonoksidin , ja tämä tekee siitä näin ollen erittäin joustava akkuja. SOFC- yhdisteitä on käytetty metaanin , propaanin , butaanin , käymiskaasun , kaasutetun biomassan ja maalihöyryjen kanssa. Kuitenkin rikin yhdisteet polttoaineessa läsnä on poistettava ennen solun, joka voidaan helposti tehdä sängyn aktivoitua hiiltä tai sinkki absorbenttia .
Lämpölaajeneminen vaatii hidas ja tasainen kuumennus alussa: yleensä 8 tuntia tai enemmän tarvitaan. Mikroputkimaiset geometriat mahdollistavat käynnistysaikojen lyhentämisen, joskus jopa 13 minuuttiin .
Toisin kuin useimmat muut polttokennotyypit , SOFC: llä voi olla useita geometrioita:
Tasomaisen geometrian suorituskyky on tällä hetkellä parempi kuin putkimaisen geometrian, koska se on alhaisempi.
SOFC koostuu neljästä kerroksesta, joista kolme on keramiikkaa (siis heidän nimensä). Näiden neljän päällekkäisen kerroksen muodostaman yksittäisen pinon tyypillinen paksuus on muutama millimetri. Sadat näistä kennoista pinotaan sitten sarjaan muodostamaan sitä, mitä yleisö kutsuu "kiinteän oksidin polttokennoksi". Keramiikkaa käytetään SOFC tulee sähköisesti aktiivisia ja ionisesti kun ne saavuttavat erittäin korkean lämpötilan, ja siten pinot on oltava järjestyksessä lämpötiloissa 600 kohteeseen 1200 ° C: seen .
Katodin keraamisen kerroksen tulisi olla huokoinen, jotta ilma pääsee virtaamaan sen läpi sekä elektrolyyttiin. Katodissa käytetään erilaisia keraamisia materiaaleja, mutta kaikkien niiden on oltava sähköä johtavia . Katodi on pariston negatiivinen puoli, jonka läpi elektronit virtaavat. Se on ilmalle altistunut puoli, jonka tehtävänä on käyttää elektroneja vähentämään ilmassa olevia happimolekyylejä (O 2): N oksidi-ionin (O 2 ).
Elektrolyytti on jokaisen kennon tiheä, kaasua läpäisemätön kerros, joka toimii kalvona, joka erottaa anodipuolella olevan polttoaineen katodipuolen ilmasta. Elektrolyyttinä käytettäväksi on tutkittu monia keraamisia materiaaleja, mutta yleisimmät ne perustuvat zirkoniumoksidiin. Sen lisäksi, että elektrolyytti on läpäisemätön kaasulle, sen on oltava sähköeriste: anodipuolen hapetusreaktiosta johtuvat elektronit pakotetaan liikkumaan ulkoisen piirin läpi ennen katodipuolelle pääsyä. Tärkein vaatimus elektrolyytille on kuitenkin se, että sen on kyettävä johtamaan happi-ioneja katodista anodiin. Tästä syystä elektrolyyttimateriaalin luotettavuus mitataan ionijohtavuudella.
Anodin muodostavan keraamisen kerroksen on oltava hyvin huokoinen, jotta polttoaine pääsee elektrolyyttiin. Katodin tavoin sen on johdettava sähköä. Yleisimmin käytetty materiaali on kermetti, joka on valmistettu nikkelistä sekoitettuna keraamiseen materiaaliin, jota käytetään elektrolyyttiin tässä kennossa. Anodi on yleensä kunkin yksittäisen solun syvin ja vahvin kerros, ja joskus se tarjoaa mekaaniset ominaisuudet. Sähkökemiallisesta näkökulmasta anodin tehtävänä on käyttää elektrolyytissä diffundoituvia happi-ioneja polttoaineen (vety) hapettamiseksi. Happi-ionien ja polttoaineen (vety) välinen hapetusreaktio tuottaa vettä ja sähköä.
Yhteenliitäntä voi olla metalli- tai keraaminen kerros, joka on sijoitettu kunkin yksittäisen pinon väliin. Sen tehtävänä on varmistaa kunkin solun sarjayhteys yhdistämällä siten kunkin solun tuotanto. Yhteyden on oltava erittäin vakaa johtuen kunkin solun pelkistäville ja hapettaville sivuille korkeissa lämpötiloissa. Siksi keramiikka on vakaampaa pitkällä aikavälillä kuin metallit yhdistävinä materiaaleina. Nämä keramiikat ovat kuitenkin erittäin kalliita. Onneksi edullisista metallimateriaaleista tulee mielenkiintoisempia, kun kehitetään alhaisemmassa lämpötilassa ( 600 - 800 ° C ) olevaa SOFC: tä .
Tutkimus keskittyy tällä hetkellä SOFC-yhdisteisiin, jotka toimivat "matalassa" lämpötilassa (noin 600 ° C ) tavoitteena vähentää kustannuksia sallimalla sellaisten metallimateriaalien käyttö, joilla on paremmat mekaaniset ominaisuudet ja parempi lämmönjohtavuus .
Tutkimuksen tavoitteena on myös lyhentää käynnistysaikoja, jotta SOFC: t voidaan ottaa käyttöön mobiilisovelluksissa. Koska ne ovat joustavia käytettyjen polttoaineiden suhteen, ne todennäköisesti toimivat osittain uudistetulla dieselpolttoaineella , mikä tekee niistä mahdollisia lisäyksiköitä tietyissä sovelluksissa (kylmäautot).
Jotkut suuret yritykset kehittävät SOFC: itä autojen lisäyksiköinä. Korkean lämpötilan SOFC-yhdisteet tuottavat moottorille tarvittavaa sähköä pienentääkseen ja tehostaakseen moottoria. SOFC: t käyttävät samaa dieseliä tai bensiiniä kuin apumoottori, ja pitävät ilmastointilaitteen ja muut tarvittavat sähköjärjestelmät käynnissä, kun moottori ei ole käynnissä (pysähdy esimerkiksi liikennevaloissa). Toiset tuottavat SOFC-yhdisteitä silkkipainamalla halvoille keraamisille materiaaleille tai hybridikaasuturbiinit, jotka kuluttavat maakaasua sähköntuotantoon jopa megawatin tehoon (yritys Rolls-Royce ).
Joitakin teollisuuden kehittää SOFC alhaisin kustannuksin ja alhaisessa lämpötilassa ( 500 ja 600 ° C: ssa ) käyttäen oksidi ceriumin ja gadoliniumin korvata nykyinen standardi teollisuuden keramiikka ( zirkoniumoksidi vakiintunut yttrium ), joka mahdollistaa käytön 'ruostumaton teräs tuki keraaminen.
Vuonna 2008 ”Rennes Chemical Sciences” -laboratorion tutkijat kehittivät yhdessä Grenoblen Laue-Langevin -instituutin ja Kioton yliopiston ( Japani) ryhmän kanssa uuden oksidin, joka avaa tien tehokkaammille paristoille. . Uusi yhdiste on raudasta ja strontiumista koostuva oksidi, jolla on kemiallinen kaava SrFeO 2. Sen tärkein etu on, että se voi reagoida näiden happi-ionien kanssa 280 ° C: n lämpötilassa . Se valmistaa paristojen saapumisen, jotka ovat sekä kestävämpiä ajan myötä että vähemmän lämpöä kuluttavia.