Năm 1962, các nhà khoa học J. Weissbart và R. Ruka của công ty Siemens Westinghouse lần đầu tiên công bố tính khả thi của quá trình tạo điện năng từ solid electrolyte fuel cell. Trải qua hơn 40 năm nghiên cứu và phát triển, Siemens Westinghouse đã xây dựng và test thử nhà máy điện SOFC ở Hà Lan và cho kết quả khả quan. Kết quả tương tự cũng thu được của công ty Ceramic Fuel Cells, Úc. Gần đây Siemens Westinghouse đã tung ra sản phẩm tiền thương mại (pre-commercial) SOFC với công suất 125kW.
Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của SOFC
3 tấm vật liệu cathod, anod, electrolyte được ghép lại với nhau. Bên buồng cathod, khí O2 đi vào và bị khử ở điện cực cathod tạo ion O2-. Ion này được dẫn qua lớp electrolyte (chất điện ly dẫn oxy) và đến điện cực anod. Tại anod, dòng nhiên liệu (H2, CO, hydrocarbon) sẽ phản ứng với O2- tạo nước, CO2 và giải phóng electron. Electron di chuyển từ anod sang cathod, tạo ra dòng điện. Nhiệt độ hoạt động của SOFC khoảng 700-1000oC.
Nếu electrolyte (chất điện ly) là chất dẫn proton, H2 bên anod sẽ bị oxid hóa ở điện cực tạo H+ và electron. H+ được dẫn qua electrolyte đến cathod. Tại cathod H+ phản ứng với O2 + elcetron tạo nước. Electron di chuyển từ anod sang cathod tạo dòng điện.
Một số kiểu thiết kế SOFC
Dạng phẳng, các cell được nối với nhau qua các tấm interconnect
Dạng ống, dòng không khí (O2) đi phía trong ống, dòng nhiên liệu đi phía ngoài thành ống.
Đa số các nghiên cứu trên SOFC với 2 buồng dẫn khí riêng rẽ (nhiên liệu và oxy được dẫn vào buồng anod và cathod riêng rẽ). Năm 1993, 2 nhà khoa học Nhật Bản Hibino và Iwahara lần đầu tiên áp dụng SOFC 1 buồng (single-chamber SOFC). Nhiên liệu và oxy được dẫn đồng thời qua các điện cực. 3 mô hình cho SC-SOFC:
Một số vấn đề hiện còn tồn tại với Fuel cell (xét riêng cho các hệ thống công suất nhỏ từ 500W đến 5kW - có thể ứng dụng làm hệ thống dự phòng điện cho các thiết bị quan trọng) là:
Độ rò rỉ khí như hydrogen và oxygene
Hiệu năng hoạt động khi có dòng yêu cầu cao (hiện tượng quá nhiệt)
Rò rỉ xúc tác gốc kim loại vào sản phẩm (nước) gây ô nhiễm
Bác aqhl có thể viết thêm về các hướng nghiên cứu về SOFC hiện nay tập trung vào phần nào thì hay quá. Về cơ bản mình nhìn thấy có Fuel, Anode, Cathode, electrolyte, cell assemble và cell configuration (mình đoán là 3 phần sau).
Phần nào làm hạn chế lớn nhất hiệu suất và đang làm các nhà nghiên cứu đau đầu nhất?
Mình không làm về vấn đề này nhưng rất hứng thú với nó.