מהו תא הדלק של תחמוצת מוצק (SOFC)?

תאי דלק תחמוצת מוצק (SOFCs) פועלים בטמפרטורות גבוהות מתאי דלק קרבונט מותך, עם טמפרטורת עבודה הנעה בין 800 ל-1000 מעלות. בסוג זה של תאי דלק, מקור הכוח האלקטרו-מוטיבי מלחצי חמצן חלקי שונים משני צידי התא. התא הבודד מורכב משתי אלקטרודות (אלקטרודת הדלק בתור האלקטרודה השלילית ואלקטרודת החמצון בתור האלקטרודה החיובית) ואלקטרוליט. התפקידים העיקריים של האנודה והקתודה הם להוליך אלקטרונים ולספק מסלולי דיפוזיה לגזי תגובה וגזי תוצר.

האלקטרוליט המוצק מפריד בין הגזים משני הצדדים. בשל לחצי החמצן החלקי השונים משני הצדדים, נוצר שיפוע פוטנציאל כימי של חמצן. בהשפעת שיפוע הפוטנציאל הכימי הזה, יוני חמצן שצברו אלקטרונים בקתודה נעים לעבר האנודה דרך האלקטרוליט המוצק. באנודה משתחררים אלקטרונים ויוצרים פוטנציאל מתח בין שני הקטבים.

תאי דלק תחמוצת מוצק (SOFCs) נחשבים לדור השלישי של תאי דלק, עם תחמוצת מתכת מוצקה ולא נקבוביה בתור האלקטרוליט, שדרכו יוני חמצן עוברים בתוך הגביש להובלת יונים. הטכנולוגיה הגיעה כעת לשלב בוגר. עם זאת, בשל המספר המצומצם של חומרים המסוגלים לפעול בטמפרטורות גבוהות ועלותם הגבוהה, חל מעבר לפיתוח של תאי דלק בטמפרטורה בינונית.

עִקָרוֹן

 

כאשר תאי דלק תחמוצת מוצק (SOFCs) פועלים עם גז רפורמט (תערובת של מימן ו-CO) כדלק, התגובה הבאה מתרחשת בתוך תא הדלק:

 

בקתודה מולקולות חמצן צוברות אלקטרונים ומצטמצמות ליוני חמצן, כלומר,

O₂+4e⁻→2O²⁻

בהשפעת הפרש הפוטנציאלים והכוח המניע את הריכוז משני צידי ממברנת האלקטרוליט, יוני חמצן, דרך מקומות החמצן הפנויים בממברנת האלקטרוליט, עוברים מעבר מכוון לצד האנודה ומעורבים בתגובות חמצון עם הדלק, כלומר,

H₂+O^2-→H₂O+2e^-

CO+O^2-→ CO₂+2e^-

תגובה כללית:

H₂+CO+O₂→ CO₂+H₂O

 

 

קומפוזיציה

כדי למלא בצורה חלקה את הפונקציה של המרת אנרגיה חשמלית, מחסנית SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) צריכה לכלול את הרכיבים הבאים:

(1) התקן המרה אלקטרוכימי המורכב מאלקטרוליט מוצק והן קתודה ואנודה. מבין חומרי האלקטרוליטים, זירקוניה מיוצבת איטריה היא המפותחת ביותר.

(2) רפורמר דלק. מכשיר זה כולל זרז, מנשא ומיכל. הוא ממיר את הדלק למולקולות גז קטנות, כגון מתאן, וממוקם בקצה הקדמי של ערימת התאים כדי להחליף חום שנוצר במהלך פעולת תאי הדלק.

(3) ערוצי הובלה של גז ודלק (או מפיצי גז). מתכות משמשות בדרך כלל כחומרי צינור כדי להבטיח דיפוזיה והובלה מיטבית של מגיבים.

(4) קולטי זרם, הידועים גם כמברשות חשמליות, העשויות בדרך כלל ממתכות או חומרים בעלי מוליכות אלקטרונית טובה, חיוניים להולכה יעילה.

(5) חיישנים. ניתן להשתמש בחיישנים שונים זמינים מסחרית כדי לנטר את הטמפרטורה, הזרם, סוגי התרכובות ומתח המוצא של התא.

(6) התקני בקרה תרמית, כגון שכבות בידוד, מצננים, מחליפי חום ומערכות אוורור.

(7) בית מתכת או זכוכית-קרמיקה. משתמשים בחומרים הניתנים לשימוש בטמפרטורת החדר, כגון נירוסטה 304. חומרים עמידים לטמפרטורה גבוהה נדרשים למגע פנימי עם ה-SOFC, מה שהופך סגסוגות מתכת מסחריות לטובה להפחתת עלויות הייצור.

מאפיינים

תאי דלק תחמוצת מוצק (SOFCs) הם סוג אידיאלי של תאי דלק, לא רק בעלי היעילות הגבוהה והיתרונות הידידותיים לסביבה של תאי דלק אחרים, אלא גם עם המאפיינים הבולטים הבאים:

 

 

(1) ל-SOFCs יש מבנה מוצק לחלוטין, המבטל את בעיות הקורוזיה ובעיות אובדן אלקטרוליטים הקשורות לשימוש באלקטרוליטים נוזליים, מה שמציע פוטנציאל לפעולה לטווח ארוך.

 

 

(2) פועלים בטמפרטורות שבין 800 ל-1000 מעלות, SOFCs לא רק מבטלים את הצורך בזרזים של מתכות יקרות, אלא גם יכולים להשתמש ישירות בגז טבעי, גז סינת ופחמימנים כדלק, מה שמפשט את מערכת תאי הדלק.

 

 

(3) SOFCs משחררים חום פסולת בטמפרטורה גבוהה, שניתן לנצלו במחזורים משולבים עם טורבינות גז או טורבינות קיטור, מה שמשפר באופן משמעותי את יעילות הפקת החשמל הכוללת.