Fastoxidbränslecell

Den bränslecell med fast oxid ( engelska fastoxidbränslecell , SOFC ) är en hög temperatur bränslecell som drivs vid en driftstemperatur av 650-1000 ° C Den elektrolyt av denna typ cell består av ett fast keramiskt material som är i stånd att genomföra syrejoner men har en isolerande effekt på elektroner. Många fastoxidprojekt för bränsleceller är fortfarande under utveckling , vissa finns redan på marknaden.

Villkor

Sammankopplingen av flera fasta oxidbränsleceller kallas en SOFC- stack . SOFC- system inkluderar också värmeväxlaren , reformatorn , DC / AC- växelriktaren , styrsystemet och annan teknik som är nödvändig för drift.

princip

Den fasta elektrolyten är utformad som ett tunt membran för att kunna transportera syrejonerna med lite energi; detta kräver höga temperaturer. Gasgenomsläppliga elektriska ledare är fästa vid sidorna av elektrolyten som en katod och anod . Den yttre sidan av katoden vänd bort från elektrolyten är omgiven av luft, den yttre anodsidan av bränslegas. Oanvänd luft och oanvänd bränslegas samt förbränningsprodukter utvinns.

Funktionen för varje galvanisk cell är baserad på en redoxreaktion där reduktionen och oxidationen sker rumsligt separat, nämligen vid gränsytan mellan elektroden och elektrolyten . I SOFC är denna redoxreaktion en reaktion av syre med bränslet, t.ex. B. väte eller kolmonoxid . Det finns överskott av syre på katodesidan, medan det saknas syre på anodsidan eftersom syret som är närvarande är lika med z. B. reagerar med väte. Denna koncentrationsgradient får syret att diffundera från katoden till anoden. Elektrolyten däremellan är endast permeabel för syrejoner . När syremolekylen (O ₂ ) har nått gränsytan mellan katoden och elektrolyten sönderdelas den medan den absorberar fyra elektroner i två syrejoner, var och en med en dubbel negativ laddning, och kan därmed tränga igenom barriären (jonledare). Vid anoden, två vätemolekyler (H ₂ är, bränsle gas) omvandlas till fyra enkelpositiva vätejoner, släppa totalt fyra elektroner. När de når gränsen med anoden reagerar de två syrejonerna katalytiskt med de fyra enstaka vätgasjonerna och frigör värme och motsvarande förbränningsprodukter. Förutsättningen för jonisering av väte och syre vid respektive elektrod är ett strömflöde, syftet med den fasta oxidbränslecellen, som kan användas för andra ändamål.

Vid en spänning på cirka 0,7 V uppnås en effekttäthet på cirka 1 W / cm² (motsvarande en strömtäthet på 1,4 A / cm²). Förbränningsgaser och motsvarande reaktionsekvationer se avsnitt #Reaktionsekvationer .

Den funktionella principen motsvarar den hos en lambdasond .

Design

I grund och botten görs en skillnad baserat på designen: rörformiga (rörformiga, se fig.) Och plana (plana) SOFC. Rörformiga SOFC erbjuder tekniska fördelar när de täcker elektrodgasutrymmena från varandra. Plana SOFC-enheter är mer lämpade för applikationer som kräver höga volymetriska effekttätheter. På grund av den lastbärande konstruktionen, är fortfarande en distinktion göras mellan elektrolyt-uppburen och anod-stöds SOFC. Användningen av 3D-skrivare , vars bläck består av keramiska partiklar och lösningsmedel , gör det möjligt att förverkliga olika mönster.

Tekniska utmaningar

På grund av den höga driftstemperaturen är det möjligt att använda mindre ädla, dvs. billigare, material än till exempel med PEMFC och samtidigt uppnå höga effekttätheter och hög effektivitet . Den höga driftstemperaturen är dock också anledningen till nästan alla tekniska utmaningar.

Den tätningsteknik mellan gasutrymmena är mycket komplex ( hög temperatur tätning ). Konventionella platta tätningar misslyckas helt enkelt. Sammanhängande anslutningar kan kortsluta elektroderna. Därför används för närvarande speciella tätningsmaterial som glassoldater för SOFC-applikationer.

Mekaniska påkänningar under drift beror främst på temperaturskillnader i cellen och olika termiska expansionskoefficienter (TEC) för materialen. Dessutom finns det en ökad tendens till kryp- eller oxidationsprocesser eller korrosion vid hög temperatur .

utveckling

Westinghouse Power Corporation (nu Siemens Power Generation ) tog det första stora steget mot en marknadsförbar SOFC i slutet av 1980-talet. Hon byggt en fungerande prototyp med en elektrolyt gjord av yttrium- stabiliserad zirkoniumoxid , eller YSZ för korta. En metod anpassades, den elektrokemiska ångavsättningen , som kan applicera tunna skikt på poröst material, t.ex. B. för produktion av anoden. Det rörformiga arrangemanget av cellerna eliminerar också behovet av tätningar. Effektiviteten var bra, men ångavlagringsprocessen var dyr och cellerna var fortfarande ganska stora för sin prestanda.

I mitten av 1990-talet hittade Tatsumi Ishihara ett nytt elektrolytmaterial, lantangalliumoxid dopad med strontium och magnesium, eller kort sagt LSGM. Det gav ett stort bidrag till utvecklingen av SOFC med lägre temperaturer. De fick beteckningen IT- SOFC , engelska mellan-temperatur SOFC eller medel-temperatur SOFC. Detta gör att keramiska delar kan ersättas med metaller, t.ex. B. de mekaniska förbindelserna mellan cellerna.

material

elektrolyt

SOFC använder elektrolyter gjorda av fast oxidkeramik , typiskt yttriumstabiliserad zirkoniumoxid, närmare bestämt yttriumoxid delvis stabiliserad eller yttriumoxid - helt stabiliserad zirkoniumdioxid . Alternativt används strontium- och magnesiumdopad lantangalliumoxid (LSGM) eller sällan ceriumoxid dopad med gadolinium .

För att producera ett tunt elektrolytskikt från YSZ appliceras en beläggning med fint YSZ-damm på en elektrod och sintras . Som nämnts kan beläggningen utföras genom elektrokemisk ångavsättning . Vid behov kan flera lager också samsintras, till exempel elektrolyten och en elektrod. Keramik, t.ex. B. en elektrod, kan också prefabriceras genom filmgjutning och avfyring och sedan samsintras med andra lager i en tillräckligt varm ugn.

katod

Den katod en YSZ elektrolyt är traditionellt tillverkade av det keramiska materialet lantan strontium manganit, (La, Sr) MnO ₃ , eller LSM för kort . Det kan också blandas med yttriumstabiliserad zirkoniumoxid (YSZ) för att påverka expansionskoefficienten. Speciellt för lågtemperatur-SOFC: er, lanthanum strontium kobaltit, (La, Sr) CoO ₃ , LSC , samma med järn, LSF eller kombinationen av LSCF är möjliga. Emellertid verkar ett separeringsskikt av en ceriumförening till YSZ-elektrolyten nödvändigt för att motverka skadliga kemiska processer.

Katoden i en LSGM-elektrolyt är vanligtvis gjord av samarium strontium kobaltit (Sm, Sr) CoO ₃ eller förkortat SSC.

anod

Anoden är helt och hållet gjord av nickelkermet ( engelsk keramisk metall ), ett kompositmaterial tillverkat av metallnicklet och den keramiska YSZ, sällan Sc SZ eller en ceriumoxid .

Reaktionsekvationer

Teoretiskt kan bränsleceller implementera vilken som helst tillräckligt reaktiv redoxreaktion om utgångsmaterialen är flytande eller gasformiga. Fasta bränslen måste omvandlas till vätskor eller gaser antingen separat eller i bränslecellen. Exempelvis koks kan användas i en lämplig SOFC vid en tillräckligt hög temperatur, eftersom den kan omvandlas till kolmonoxid med reaktionsprodukten CO ₂ .

I praktiken är fokus främst på bränslen som är lätt tillgängliga. När det gäller SOFC är det främst gaserna väte och syntesgas . Väte är mycket reaktivt och kan lätt produceras, särskilt i samband med kolmonoxid som i syntesgas. Således bearbetas naturgas , råoljedestillat eller till och med träflis för SOFC. Oxidationsmedlet är syret i luften.

	Reaktionsekvationer 1	Reaktionsekvationer 2
anod	${\ displaystyle \ mathrm {H_ {2} + O ^ {2 -} \ till H_ {2} O + 2 \ e ^ {-}}}$ Oxidation / elektrondonation	${\ displaystyle \ mathrm {O ^ {2 -} + CO \ till CO_ {2} +2 \ e ^ {-}}}$ Oxidation / elektrondonation
katod	${\ displaystyle \ mathrm {O_ {2} +4 \ e ^ {-} \ till 2 \ O ^ {2-}}}$ Reduktion / elektronupptag	${\ displaystyle \ mathrm {O_ {2} +4 \ e ^ {-} \ till 2 \ O ^ {2-}}}$ Reduktion / elektronupptag
Övergripande reaktion	${\ displaystyle \ mathrm {2 \ H_ {2} + O_ {2} \ till 2 \ H_ {2} O}}$ Redoxreaktion / cellreaktion	${\ displaystyle \ mathrm {2 \ CO + O_ {2} \ to 2 \ CO_ {2}}}$ Redoxreaktion / cellreaktion

Den interna laddtransporten sker med O ²⁻ joner. SOFC behöver syre på katodesidan och producerar vatten och / eller CO ₂ på anoden .

Manövrering av fastoxidbränslecell direkt med metan leder till problem med pyrolys av CH ₄ och de resulterande kolavlagringar.

anod	${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {4} +4 \ O ^ {2 -} \ till 2 \ H_ {2} O + CO_ {2} + 8e ^ {-}}}$ Oxidation / elektrondonation
katod	${\ displaystyle \ mathrm {2 \ O_ {2} +8 \ e ^ {-} \ till 4 \ O ^ {2-}}}$ Reduktion / elektronupptag
Övergripande reaktion	${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {4} +2 \ O_ {2} \ till 2 \ H_ {2} O + CO_ {2}}}$ Redoxreaktion / cellreaktion

Effektivitet

Till skillnad från värmemotorer med en sådan nedströmsgenerator. B. Gaskraftverk som omvandlar den kemiska energin till värme, kraft och sedan till elektricitet (förutom värme) genereras direkt i bränsleceller. Detta innebär att deras effektivitet inte begränsas av de termodynamiska gränserna för Carnot-processen , och den teoretiska effektiviteten är mycket hög. En anledning till de praktiska gränserna för de uppnåbara effektiviteterna är att för optimal användning av de relativt dyra bränslecellerna eftersträvas minimala strömtätheter, vilket i sin tur kräver en tillräcklig tillförsel av bränsle och avlägsnande av avgaserna. Eftersom förbränningsprodukterna vid anoden (t ex CO ₂ och / eller H ₂ O) inträffar vid samma punkt där bränslegaser (H ₂ , CH ₄ krävs, CO), är det svårt att undvika blandning. Det är sant att gasflödena kan sakta ner eller elektrodområdet ökas för att göra omvandlingarna mer kompletta och effektiviteten högre, men strömtätheten och utmatningen från cellen skulle då vara för låg. Därför blåses bränslegasen in så att en del av den kommer outbränd ur cellen. Motsvarande energi minskar cellens effektivitet.

Denna applikation är särskilt intressant för kraft-till-gas- processen, som endast har en relativt låg effektivitetsgrad med konventionell teknik. Med reversibelt drivna fasta oxidbränsleceller är emellertid el-till-el-effektivitet på upp till cirka 70% möjlig, vilket innebär att effektiviteten är ungefär jämförbar med den för pumpkraftverk . Det omvända fungerande SOFC är SOEC .

litteratur

• Manuel Ettler: Inverkan av återoxideringscykler på driftsstabiliteten hos anodstödda fasta oxidbränsleceller . Forschungszentrum Jülich, 2008, ISBN 978-3-89336-570-8 , s. 120 ( begränsad förhandsgranskning i Google Book-sökning). 

webb-länkar

• Fuel Cell Handbook (sjunde upplagan) från sidan 7–1, omfattande vetenskaplig översikt, företaget EG&G Technical Services, Inc. (engelska, PDF, 5 MiB)
• MeMO - Elektrokemisk hög-temperaturlagring av metall-metalloxid för centraliserade och decentraliserade stationära applikationer , presentationsgrafik av ett pågående projekt, Forschungszentrum Jülich, öppnat 2014
• SOFC-status och utmaningar Presentation av en SOFC med bilder, Chris De Minco & Dr. Subhasish Mukerjee, Delphi Automotive Systems, 2001

Individuella bevis

1. ↑ Utvecklingsstatus och framtidsutsikter för bostads- och kommersiell användning av SOFC-system (engelska), Minoru Suzuki från Osaka Gas Co. Ltd. - SOFC-tillverkare är till exempel företaget Osaka Gas Co. Ltd. själva, i Japan, tillverkar det en 700 watt SOFC, företaget Ceres Power, GB, även 700 watt, eller företaget Bloom Energy, USA, en 100 kW-enhet.
2. ↑ Alberto Varone, Michele Ferrari, Power to liquid and power to gas: Ett alternativ för tyska Energiewende . I: Renewable and Sustainable Energy Reviews 45, (2015), 207–218, s. 209, doi : 10.1016 / j.rser.2015.01.049 .
3. ↑ ^{a b} 3D-tryckta fasta oxidbränsleceller från flytande bläck med högt partikelinnehåll , öppnat 9 december 2014.
4. ↑ Tatsumi Ishihara, Hideaki Matsuda, Yusaku Takita. Dopade LaGaO3 Perovskite-typoxid som en ny oxidjonisk ledare. Sylt. Chem. Soc. 116: 3801-3803. 1994
5. ↑ Syntes och karakterisering av keramiska skikt gjorda av (La, Sr) (Ga, Mg) O3-x , Thorsten Maldener
6. ↑ Handbok för bränsleceller (sjunde upplagan) från sidan 7–1, omfattande vetenskaplig översikt, företaget EG&G Technical Services, Inc. (engelska, PDF, 5 MiB), ISBN 978-0-387-77707-8 , 2009
7. ↑ Tillverkningsprocesser för låg kostnad för fasta oxidbränsleceller, katodtejpsproduktion, presentation, MM Seabaugh .., NexTech Materials Ltd., 2000. Process för YSZ-lager på LSM-substrat.
8. ↑ Funktion hos hög temperatur bränslecell ( Memento av den ursprungliga från November 5, 2014 i Internet Archive ) Info: Den arkiv länk var infogas automatiskt och ännu inte kontrolleras. Kontrollera original- och arkivlänken enligt instruktionerna och ta bort detta meddelande. , kort introduktion, fysikens värld @ 1@ 2Mall: Webachiv / IABot / www.weltderphysik.de
9. ↑ Introduktion till högtemperaturbränslecellen (SOFC) , kort introduktion, Institute for Technical Thermodynamics of the German Aerospace Center
10. ↑ Perovskite-oxid för fasta oxidbränsleceller Kapitel 2: Översikt över fasta oxidbränsleceller med mellanliggande temperatur, sidan 28, omfattande vetenskaplig översikt, av Tatsumi Ishihara (utgivare), kapitel 2 av Harumi Yokokawa, Springer, 2009
11. ^ AJ Appleby, FR Foulkes, Fuel Cell Handbook, Van Nostrand Reinhold, New York, NY, 1989. Citerat i: Fuel Cell Handbook, EG&G
12. ↑ ^{a b} Biomass CHP-teknik för medeleffektområdet, baserat på förgasningstekniken för fast bränsle och en fast oxidbränslecell (SOFC). I: Forskning> pågående projekt. Wuppertal Institut för klimat, miljö, energi gGmbH, öppnat den 23 april 2019 . 
13. ↑ Yong-min Xie, Jiang-lin Li, Jin-xing Hou, Pei-jia Wu, Jiang Liu: Direkt användning av koks i en fast oxidbränslecell . I: Journal of Fuel Chemistry and Technology . tejp 46 , nr. 10 oktober 2018, s. 1168-1174 , doi : 10.1016 / S1872-5813 (18) 30048-3 . 
14. Ensen Jensen et al., Storskalig elektricitetslagring med reversibla fasta oxidceller i kombination med underjordisk lagring av CO2 och CH4 . I: Energi- och miljövetenskap (2015), doi : 10.1039 / c5ee01485a .