miniatura|474x474px|Principi de funcionament de rSOC en les operacions d'electròlisi i piles de combustible. Una cel·la d'òxid sòlid reversible (rSOC) és un dispositiu electroquímic d'estat sòlid que funciona alternativament com a cel·la de combustible d'òxid sòlid (SOFC) i com a cel·la d'electròlisi d'òxid sòlid (SOEC). De manera similar a les SOFC, les rSOC estan fetes d'un electròlit dens intercalat entre dos elèctrodes porosos. La seva temperatura de funcionament oscil·la entre els 600 °C a 900 °C, per la qual cosa es beneficien d'una cinètica millorada de les reaccions i d'una eficiència més gran respecte a les tecnologies electroquímiques de baixa temperatura.

Quan s'utilitza com a pila de combustible, la pila d'òxid sòlid reversible és capaç d'oxidar un o més combustibles gasosos per produir electricitat i calor. Quan s'utilitza com a cel·la d'electròlisi, el mateix dispositiu pot consumir electricitat i calor per reconvertir els productes de la reacció d'oxidació en combustibles valuosos. Aquests combustibles gasosos es poden pressuritzar i emmagatzemar per a un ús posterior. Per aquest motiu, els rSOCs estan rebent recentment una atenció creixent a causa del seu potencial com a solució d'emmagatzematge d'energia a escala estacional.

Descripció de la tecnologia Estructura cel·lular i principi de funcionament Les piles d'òxid sòlid reversibles (rSOC), com a piles de combustible d'òxid sòlid, estan fetes de quatre components principals: l'electròlit, els elèctrodes de combustible i oxigen, i les interconnexions.

Els elèctrodes són capes poroses que afavoreixen la difusió dels reactius dins de la seva estructura i catalitzen reaccions electroquímiques. En tecnologies individuals com els SOFC i els SOEC, els elèctrodes tenen un únic propòsit, per això s'anomenen amb els seus noms específics. L'ànode és on es produeix la reacció d'oxidació, mentre que el càtode és on té lloc la reacció de reducció. En les piles d'òxid sòlid reversibles, en canvi, ambdues modalitats poden produir-se alternativament en el mateix dispositiu. Per aquest motiu, es prefereixen els noms genèrics d' elèctrode de combustible i elèctrode d'oxigen. A l'elèctrode de combustible tenen lloc les reaccions que impliquen l'oxidació del combustible (modalitat SOFC) o la reducció dels productes per produir el combustible (modalitat SOEC). A l'elèctrode d'oxigen té lloc la reducció d'oxigen (modalitat SOFC) o l'oxidació d'ions d'oxigen per formar gas oxigen (modalitat SOEC).

Els materials més avançats per als rSOC són els que s'utilitzen per als SOFC. Els elèctrodes de combustible més comuns estan fets d'una barreja de níquel, que serveix com a conductor electrònic, i zircònia estabilitzada amb itri (YSZ), un material ceràmic caracteritzat per una alta conductivitat als ions d'oxigen a temperatures elevades. Els materials d'elèctrode d'oxigen més populars són la ferrita de lantà-estronci-cobalt (LSCF) i la cromita de lantà-estronci (LSC), materials de perovskita capaços de catalitzar reaccions de reducció d'oxigen i oxidació d'ions d'òxid.

L' electròlit és una capa d'estat sòlid col·locada entre els dos elèctrodes. És un aïllant elèctric, és impermeable al flux de gas però permeable al flux d'ions d'oxigen. Per tant, les principals propietats d'aquest component són l'alta conductivitat iònica i la baixa conductivitat elèctrica. Quan el rSOC funciona en mode SOFC, els ions d'oxigen flueixen des de l'elèctrode d'oxigen fins a l'elèctrode de combustible, on es produeix l'oxidació del combustible. En mode SOEC, els reactius es redueixen a l'ànode amb la producció d'ions d'oxigen, que flueixen cap a l'elèctrode d'oxigen. El material més estès per a electròlits és el YSZ.

Les interconnexions solen estar fetes de materials metàl·lics. Proporcionen o recullen els electrons implicats en les reaccions electroquímiques. A més, tenen una forma interna amb canals de gas per distribuir els reactius sobre la superfície de la cel·la.

Corba de polarització miniatura|474x474px|Un exemple d'una corba de polarització rSOC. L'eina més comuna per caracteritzar el rendiment d'una cel·la d'òxid sòlid reversible és la corba de polarització. En aquest gràfic, la densitat de corrent està relacionada amb la tensió de funcionament de la cel·la. La convenció habitual és la de densitat de corrent positiva per al funcionament de la pila de combustible i densitat de corrent negativa per a l'operació d'electròlisi. Quan el circuit elèctric rSOC no està tancat i no s'extreu ni s'aplica corrent a la cel·la, la tensió de funcionament és l'anomenada tensió de circuit obert (OCV). Si la composició del gas a l'elèctrode de combustible i a l'elèctrode d'oxigen és la mateixa per a ambdues modalitats, la corba de polarització per al mode SOEC i el SOFC tenen la mateixa OCV. Quan s'extreu o s'aplica una certa densitat de corrent a la cel·la, la tensió de funcionament comença a divergir de la OCV. Aquest fenomen es deu a les pèrdues de polarització, que depenen de tres fenòmens principals:

les pèrdues per activació, predominants a densitats de corrent molt baixes; les pèrdues òhmiques, que augmenten linealment amb la densitat de corrent; les pèrdues de concentració, que es produeixen a una densitat de corrent molt alta, quan els reactius dins de l'elèctrode s'esgoten.

La suma de les pèrdues de polarització rep el nom de sobrepotencial.

A més de la tensió de circuit obert, es pot definir una altra tensió teòrica fonamental. La tensió termoneutral depèn de l'entalpia de la reacció global que té lloc al rSOC i del nombre de càrregues que es transfereixen dins de les reaccions electroquímiques. La seva relació amb el voltatge de funcionament proporciona informació sobre la demanda o generació de calor dins de la cel·la.

Durant l'operació d'electròlisi:

si , la reacció és endotèrmica; si , la reacció és exotèrmica.

El funcionament de la pila de combustible, en canvi, sempre és exotèrmic.

Química Es poden considerar diverses químiques quan es tracta de cel·les d'òxid sòlid reversibles, que al seu torn poden influir en les seves condicions de funcionament i en l'eficiència general.

Hidrogen Quan l'hidrogen i el vapor es consideren com a reactius, la reacció global pren aquesta forma:

H2 + 1/2 O2 <=> H2O

on la reacció directa es produeix durant el mode SOFC i la reacció inversa durant el mode SOEC. A l'elèctrode de combustible, l'oxidació d'hidrogen (reacció directa) té lloc en mode SOFC i la reducció d'aigua (reacció inversa) té lloc en mode SOEC simple:

H2 + O^2- <=> H2O + 2e-

A l'elèctrode d'oxigen, la reducció d'oxigen (reacció directa) es produeix en mode SOFC i l'oxidació dels ions d'òxid (reacció inversa) es produeix en mode SOEC:

O2 +2e- <=> O^2-

El voltatge termoneutral per a l'electròlisi de vapor és igual a 1,29 V.

Reactius carbonosos A diferència de les tecnologies electroquímiques de baixa temperatura, els rSOC també poden processar espècies que contenen carboni amb un risc reduït d'enverinament per catalitzador. El metà es pot reformar internament sobre les partícules de Ni per produir hidrogen, de manera similar al que passa en els reactors de reforma de vapor. Posteriorment, l'hidrogen produït pot patir l'electrooxidació. A més, quan es treballa en la modalitat SOEC, l'aigua i el diòxid de carboni es poden coelectrolitzar per generar hidrogen i monòxid de carboni per formar mescles de gas de síntesi amb diverses composicions.U.S. Air Force accepts first delivery of Raytheon Miniature Air Launched Decoy

Les reaccions que tenen lloc a l'elèctrode d'oxigen són les mateixes que es consideren per al cas d'hidrogen/vapor. Tot i que es caracteritza per una cinètica molt més lenta respecte a la que implica hidrogen i vapor, també es pot considerar l'electrooxidació directa del monòxid de carboni (reacció directa) o l'electroreducció directa del diòxid de carboni (reacció inversa):

CO + 1/2 O2 <=> CO2

El voltatge termoneutral de laCO2 l'electròlisi és igual a 1,48 V. miniatura|326x326px|Exemple de cicle entre combustible i gasos d'escapament en el diagrama ternari CHO. Una manera útil de representar el cicle entre el mode SOFC i SOEC de l'operació rSOC amb reactius carbonosos és el diagrama ternari CHO. Cada punt del diagrama representa una mescla de gasos amb un nombre diferent d'àtoms de carboni, hidrogen o oxigen. Quan es tracta de l'operació en cel·les d'òxid sòlid reversibles, es poden distingir tres regions diferents al gràfic. Per a diferents condicions d'operació (és a dir, diferents temperatures i pressions), es poden dibuixar línies límit diferents entre aquestes regions. Les tres regions són:

la regió de deposició de carboni: les mescles de gasos que es troben en aquesta regió es caracteritzen per composicions propenses a la deposició de carboni sobre l'elèctrode de combustible; la regió completament oxidada: aquesta regió es caracteritza per mescles de gasos completament oxidades, per la qual cosa no es poden utilitzar com a combustibles en el rSOC; la regió de funcionament: aquesta regió es caracteritza per mescles de gasos adequades per al funcionament de l'rSOC.

A la regió d'operació, es poden representar la mescla de combustible i la mescla d'escapament. Aquests dos punts estan connectats per una línia que passa per punts caracteritzats per una relació H/C constant. De fet, durant l'operació rSOC en ambdues modalitats, els gasos de l'elèctrode de combustible intercanvien amb l'elèctrode d'oxigen només àtoms d'oxigen, mentre que l'hidrogen i el carboni queden confinats dins de l'elèctrode de combustible. Durant l'operació SOFC, la composició del gas a l'elèctrode de combustible es mou cap a la línia límit de la regió completament oxidada, augmentant el seu contingut d'oxigen. Durant l'operació SOEC, en canvi, la mescla de gasos evoluciona allunyant-se de la regió completament oxidada cap a la regió de deposició de carboni, alhora que redueix el seu contingut d'oxigen.

Amoníac Una química alternativa per als rSOC és la que implica la conversió d'amoníac a hidrogen i nitrogen. L'amoníac té un gran potencial com a portador d'hidrogen, a causa de la seva major densitat volumètrica respecte al mateix hidrogen, i es pot alimentar directament als SOFC. S'ha demostrat que els SOFC alimentats amb amoníac operen mitjançant la descomposició successiva de l'amoníac i l'oxidació de l'hidrogen:

2NH3 -> N2 + 3H2

H2 + O^2- -> H2O + 2e-

S'ha demostrat que la descomposició de l'amoníac és lleugerament més eficient que la simple oxidació d'hidrogen, cosa que confirma el gran potencial de l'amoníac com a combustible a més de ser un portador d'energia."Sea Ceptor, MBDA's Next Generation Air Defence System Gets Go Ahead For Royal Navy Frigates" , 31 January 2012, navyrecognition.com

Malauradament, l'amoníac no es pot sintetitzar directament a l'elèctrode de combustible d'un rSOC, perquè la reacció d'equilibri

N2 + 3H2 <=> 2NH3

està completament desplaçat cap a l'esquerra quan són superiors a 600 °C de temperatura de treball. Per aquest motiu, per a la producció d'amoníac net, la producció d'hidrogen mitjançant electròlisi ha d'anar acoblada a la producció de nitrogen a partir de l'aire amb oxidació d'hidrogen i posterior separació d'aigua.

Sistemes rSOC per a l'emmagatzematge d'energia