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Cella a combustibile a ossido solido (SOFC)

1940
  • Emil Baur
  • H. Preis
Sistema di celle a combustibile a ossido solido per applicazioni nella tecnologia energetica industriale.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Un ossido solido Cella a combustibile (SOFC) employs a solid, non-porous ceramic, typically yttria-stabilized zirconia (YSZ), as its electrolyte. SOFCs operate at very high temperatures, ranging from 500 to 1,000 °C. This high temperature allows for fuel flexibility, enabling the direct use of hydrocarbons like natural gas, and eliminates the need for expensive platinum-group metal catalizzatori.

In an SOFC, the charge carrier through the electrolyte is the oxide ion ([latex]O^{2-}[/latex]). At the cathode, oxygen molecules from the air are reduced by incoming electrons from the external circuit to form oxide ions: [latex]O_2 + 4e^- \rightarrow 2O^{2-}[/latex]. These oxide ions are then transported through the dense ceramic electrolyte to the anode. At the anode, the oxide ions oxidize the fuel. For generatore di idrogenoLa reazione è [latex]H_2 + O^{2-} rightarrow H_2O + 2e^-[/latex]. Gli elettroni rilasciati viaggiano attraverso il circuito esterno fino al catodo, completando il circuito e generando elettricità.

The high operating temperature is both an advantage and a challenge. It facilitates rapid reaction kinetics without precious metal catalizzatori and allows for internal reforming of hydrocarbon fuels directly at the anode, simplifying system design. The high-quality exhaust heat can be captured for cogeneration (CHP), leading to overall system efficiencies exceeding 80%. However, the high temperatures also create significant material science challenges, requiring robust ceramics and interconnects that can withstand thermal cycling and prevent degradation. This also results in long start-up times, making SOFCs more suitable for continuous power generation rather than applications requiring frequent on-off cycles.

UNESCO Nomenclature: 3305
Tecnologia energetica

Tipo

Dispositivo fisico

Interruzione

Sostanziale

Utilizzo

Nicchia/Specializzato

Precursori

  • invenzione dell' Nernst lampada di Walther Nernst (1897), che utilizzava un elettrolita ceramico solido (YSZ)
  • basic fuel cell principle discovered by William Grove (1838)
  • progressi nella scienza della ceramica e nei materiali ad alta temperatura

Applicazioni

  • produzione di energia stazionaria su larga scala per edifici industriali e commerciali
  • sistemi di cogenerazione (CHP), che utilizzano calore di scarto di alta qualità
  • unità di potenza ausiliarie (APU) per veicoli come camion a lungo raggio
  • supporto alla rete e generazione di energia distribuita
  • applicazioni militari e di potenza remota

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • sofcs supportati da metallo per una maggiore robustezza meccanica e un avvio più rapido
  • sofcs a bassa temperatura (it-sofcs) che operano a 400-600°C utilizzando elettroliti ceramici alternativi
  • reversible sofcs (rsofcs) that can operate in both fuel cell and elettrolisi modes for energy storage
  • progettazione di camini con tenuta migliorata per prevenire perdite di gas ad alte temperature
  • infiltrated nanoparticle catalysts to enhance performance and reduce material costs
  • Componenti ceramici stampati in 3D per geometrie complesse e ottimizzate
  • sistemi sofc che elaborano direttamente il biogas dai digestori anaerobici
  • centrali elettriche ibride sofc-turbina a gas per l'efficienza su scala industriale
  • unità sofc portatili per applicazioni militari e fuori rete
  • celle a combustibile a carbonio diretto (DCFC), una variante delle sofc che consuma combustibile solido a base di carbonio
Argomenti correlati: SOFC, ossido solido, elettrolita ceramico, YSZ, alta temperatura, flessibilità del combustibile, cogenerazione, CHP, energia stazionaria, reforming interno.

Contesto storico

Cella a combustibile a ossido solido (SOFC)

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1945-01-01
1949
1950
1950

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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