Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) fonctionnent à des températures supérieures à celles des piles à combustible à carbonate fondu, avec une température de fonctionnement allant de 800 à 1 000 degrés. Dans ce type de pile à combustible, la force électromotrice provient de différentes pressions partielles d’oxygène des deux côtés de la pile. La cellule individuelle se compose de deux électrodes (l’électrode à combustible comme électrode négative et l’électrode oxydante comme électrode positive) et un électrolyte. Les fonctions principales de l’anode et de la cathode sont de conduire les électrons et de fournir des voies de diffusion aux gaz de réaction et aux gaz produits.
L'électrolyte solide sépare les gaz des deux côtés. En raison des différentes pressions partielles d'oxygène des deux côtés, un gradient de potentiel chimique d'oxygène est généré. Sous l’influence de ce gradient de potentiel chimique, les ions oxygène qui ont gagné des électrons à la cathode se déplacent vers l’anode à travers l’électrolyte solide. A l'anode, des électrons sont libérés, créant un potentiel de tension entre les deux pôles.
Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) sont présentées comme la troisième génération de piles à combustible, avec un oxyde métallique solide et non poreux comme électrolyte, à travers lequel les ions oxygène circulent dans le cristal pour transporter les ions. La technologie a désormais atteint un stade de maturité. Cependant, en raison du nombre limité de matériaux capables de fonctionner à haute température et de leur coût élevé, on s'oriente vers le développement de piles à combustible à température intermédiaire.
Principe
Lorsque les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) fonctionnent avec du gaz de reformat (un mélange d'hydrogène et de CO) comme combustible, la réaction suivante se produit au sein de la pile à combustible :
À la cathode, les molécules d'oxygène gagnent des électrons et sont réduites en ions oxygène, c'est-à-dire
O2+4e−→2O2−
Sous l'influence de la différence de potentiel et de la force motrice de concentration des deux côtés de la membrane électrolytique, les ions oxygène, à travers les lacunes en oxygène dans la membrane électrolytique, subissent une transition dirigée vers le côté anode et s'engagent dans des réactions d'oxydation avec le carburant, c'est-à-dire
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→CO2+2e-
Réaction globale :
H2+CO+O2→CO2+H2O
composition
Pour remplir en douceur la fonction de conversion de l'énergie électrique, une pile SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) doit inclure les composants suivants :
(1) Un dispositif de conversion électrochimique constitué d’un électrolyte solide et d’une cathode et d’une anode. Parmi les matériaux électrolytiques, la zircone stabilisée à l'yttrium est la plus développée.
(2) Un reformeur de carburant. Ce dispositif comprend un catalyseur, un support et un conteneur. Il convertit le carburant en petites molécules gazeuses, telles que le méthane, et est positionné à l'extrémité avant de la pile à combustible pour échanger la chaleur générée pendant le fonctionnement de la pile à combustible.
(3) Canaux de transport de gaz et de carburants (ou distributeurs de gaz). Les métaux sont couramment utilisés comme matériaux de conduit pour assurer une diffusion et un transport optimaux des réactifs.
(4) Les collecteurs de courant, également appelés balais électriques, généralement constitués de métaux ou de matériaux présentant une bonne conductivité électronique, sont essentiels pour une conduction efficace.
(5) Capteurs. Divers capteurs disponibles dans le commerce peuvent être utilisés pour surveiller la température, le courant, les types de composés et la tension de sortie de la cellule.
(6) Dispositifs de contrôle thermique, tels que couches isolantes, refroidisseurs, échangeurs de chaleur et systèmes de ventilation.
(7) Boîtier en métal ou vitrocéramique. Des matériaux utilisables à température ambiante, tels que l'acier inoxydable 304, sont utilisés. Des matériaux résistants aux températures élevées sont nécessaires pour le contact interne avec la SOFC, ce qui rend les alliages métalliques commerciaux favorables à la réduction des coûts de fabrication.
Caractéristiques
Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) constituent un type idéal de pile à combustible, possédant non seulement le haut rendement et les avantages écologiques des autres piles à combustible, mais présentant également les principales caractéristiques suivantes :
(1) Les SOFC ont une structure entièrement solide, éliminant les problèmes de corrosion et de perte d'électrolyte associés à l'utilisation d'électrolytes liquides, offrant ainsi un potentiel de fonctionnement à long terme.
(2) Fonctionnant à des températures comprises entre 800 et 1 000 degrés, les SOFC éliminent non seulement le besoin de catalyseurs en métaux précieux, mais peuvent également utiliser directement le gaz naturel, le gaz de synthèse et les hydrocarbures comme carburant, simplifiant ainsi le système de pile à combustible.
(3) Les SOFC libèrent de la chaleur résiduelle à haute température, qui peut être utilisée dans des cycles combinés avec des turbines à gaz ou des turbines à vapeur, améliorant ainsi considérablement l'efficacité globale de la production d'électricité.
