As células a combustível de óxido sólido (SOFCs) operam em temperaturas mais altas do que as células a combustível de carbonato fundido, com uma temperatura de trabalho variando de 800 a 1000 graus. Neste tipo de célula a combustível, a força eletromotriz origina-se de diferentes pressões parciais de oxigênio em ambos os lados da célula. A célula individual consiste em dois eletrodos (o eletrodo combustível como eletrodo negativo e o eletrodo oxidante como eletrodo positivo) e um eletrólito. As principais funções do ânodo e do cátodo são conduzir elétrons e fornecer vias de difusão para gases de reação e gases de produto.
O eletrólito sólido separa os gases em ambos os lados. Devido às diferentes pressões parciais de oxigênio em ambos os lados, é gerado um gradiente de potencial químico de oxigênio. Sob a influência deste gradiente de potencial químico, os íons de oxigênio que ganharam elétrons no cátodo movem-se em direção ao ânodo através do eletrólito sólido. No ânodo, os elétrons são liberados, criando um potencial de tensão entre os dois pólos.
As células a combustível de óxido sólido (SOFCs) são apresentadas como a terceira geração de células a combustível, com um óxido metálico sólido e não poroso como eletrólito, através do qual os íons de oxigênio são transportados dentro do cristal para transportar íons. A tecnologia atingiu agora um estágio maduro. No entanto, devido ao número limitado de materiais capazes de operar em altas temperaturas e ao seu alto custo, há uma mudança em direção ao desenvolvimento de células a combustível de temperatura intermediária.
Princípio
Quando as células a combustível de óxido sólido (SOFCs) operam com gás reformado (uma mistura de hidrogênio e CO) como combustível, a seguinte reação ocorre dentro da célula a combustível:
No cátodo, as moléculas de oxigênio ganham elétrons e são reduzidas a íons de oxigênio, ou seja,
O2+4e−→2O2−
Sob a influência da diferença de potencial e da força motriz de concentração em ambos os lados da membrana eletrolítica, os íons de oxigênio, através das vagas de oxigênio na membrana eletrolítica, passam por uma transição direcionada para o lado do ânodo e se envolvem em reações de oxidação com o combustível, ou seja,
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→CO2+2e-
Reação geral:
H2+CO+O2→CO2+H2O
composição
Para cumprir suavemente a função de conversão de energia elétrica, uma pilha SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) deve incluir os seguintes componentes:
(1) Um dispositivo de conversão eletroquímica que consiste em um eletrólito sólido e cátodo e ânodo. Entre os materiais eletrolíticos, a zircônia estabilizada com ítria é o mais desenvolvido.
(2) Um reformador de combustível. Este dispositivo inclui um catalisador, um transportador e um recipiente. Ele converte o combustível em pequenas moléculas gasosas, como o metano, e é posicionado na extremidade frontal da pilha de células para trocar o calor gerado durante a operação da célula de combustível.
(3) Canais de transporte de gás e combustível (ou distribuidores de gás). Os metais são comumente usados como materiais de conduíte para garantir difusão e transporte ideais de reagentes.
(4) Os coletores de corrente, também conhecidos como escovas elétricas, normalmente feitos de metais ou materiais com boa condutividade eletrônica, são essenciais para uma condução eficiente.
(5) Sensores. Vários sensores disponíveis comercialmente podem ser usados para monitorar a temperatura, corrente, tipos de compostos e tensão de saída da célula.
(6) Dispositivos de controle térmico, como camadas isolantes, resfriadores, trocadores de calor e sistemas de ventilação.
(7) Carcaça metálica ou vitrocerâmica. São empregados materiais utilizáveis à temperatura ambiente, como aço inoxidável 304. Materiais resistentes a altas temperaturas são necessários para o contato interno com o SOFC, tornando as ligas metálicas comerciais favoráveis para a redução dos custos de fabricação.
Características
As células a combustível de óxido sólido (SOFCs) são um tipo ideal de célula a combustível, não apenas possuindo a alta eficiência e as vantagens ecologicamente corretas de outras células a combustível, mas também apresentando as seguintes características proeminentes:
(1) As SOFCs possuem uma estrutura totalmente sólida, eliminando os problemas de corrosão e de perda de eletrólitos associados ao uso de eletrólitos líquidos, oferecendo potencial para operação a longo prazo.
(2) Operando em temperaturas entre 800 e 1000 graus, os SOFCs não apenas eliminam a necessidade de catalisadores de metais preciosos, mas também podem usar diretamente gás natural, gás de síntese e hidrocarbonetos como combustível, simplificando o sistema de célula de combustível.
(3) As SOFC libertam calor residual a alta temperatura, que pode ser utilizado em ciclos combinados com turbinas a gás ou a vapor, melhorando significativamente a eficiência global da produção de energia.
