МТУ карбонат

Oct 18, 2023

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) обеспечивают высокую энергоэффективность и гибкость использования топлива, но требуют высоких рабочих температур. Хотя снижение рабочей температуры ТОТЭ может свести к минимуму деградацию материала и позволить использовать менее дорогие материалы, сопротивление как электролита, так и электродов увеличивается экспоненциально с уменьшением рабочей температуры.

Теперь исследователи из Мичиганского технологического университета продемонстрировали твердотельный топливный элемент с карбонатной суперструктурой (CSSFC), в котором генерация сверхструктурированного карбоната in situ в пористом слое церия, легированного самарием, создает уникальный электролит со сверхвысокой ионной проводимостью 0,17 См⋅см-1. при 550 °С. CSSFC демонстрирует повышенную удельную мощность при использовании углеводородного топлива при более низких рабочих температурах. Статья в открытом доступе об этой работе опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

… низкотемпературные ТОТЭ (LT-ТОТЭ) с углеводородным топливом страдают от поляризационных потерь, вызванных перепадом температуры и отложением углерода (коксованием). Это происходит потому, что 1) кинетика окисления углеводородов чрезвычайно вялая при более низких температурах из-за сильных связей C–H и 2) осаждение углерода дезактивирует электроды, закрывая каталитические центры.

…одной из ключевых стратегий улучшения окисления углеводородов и уменьшения коксования LT-ТОТЭ является увеличение ионной проводимости кислорода в электролитах. … Существуют две традиционные стратегии повышения кислородной ионной проводимости электролитов в LT-ТОТЭ, а именно уменьшение толщины электролита и разработка быстрых ионных проводников. Ультратонкая пленка электролита требует передовых технологий и неизбежно увеличивает стоимость и сложность изготовления. Хотя оксиды висмута демонстрируют впечатляющую кислородно-ионную проводимость из-за большого количества кислородных вакансий, их плохая стабильность в условиях эксплуатации ТОТЭ будет препятствовать их применению. Следовательно, необходимы другие стратегии для разработки эффективных ионных проводников.

Команда предположила, что непрерывный интерфейс между расплавленным карбонатом и твердым ионным проводником может представлять собой канал быстрого переноса ионов кислорода, то есть такая карбонатная сверхструктура на твердом ионном проводнике будет кислородным ионным сверхпроводником.

Для проверки этой гипотезы мы изготовили устройство путем объединения катода LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 (NCAL), пористого электролита Ce0.8Sm0.2O1.9 (SDC) и Ni-BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0. Анод 1O3–δ (BZCYYb) методом одностадийного сухого прессования без высокотемпературного спекания в данной работе. Электроды и электролит остаются в системе пористыми и нанокристаллическими структурами. Затем расплавленный карбонат в пористых слоях NCAL и SDC генерируется in situ в условиях эксплуатации элемента, создавая топливный элемент с карбонатной надстройкой (CSSFC).

Кроме того, CSSFC продемонстрировал сверхвысокую ионную проводимость 0,17 См⋅см-1 при 550°C, что привело к беспрецедентно высокому напряжению холостого хода (OCV) и очень высокой пиковой плотности мощности (PPD), а также превосходной стойкости к коксованию в сухом состоянии. метановое топливо при 550°С.

(A) Схема обычного ТОТЭ, пористого ТОТЭ и CSSFC. (B) Характеристики IVP различных конфигураций топливных элементов с Ni-BZCYYb в качестве анодов, работающих на CH4 при 550 ° C. (C) Зависимый от температуры график Аррениуса ионной проводимости кислорода различных электролитов с карбонатной модификацией или без нее. (D) Графики ДСК различных электролитов в атмосфере Ar. Су и др.

По оценкам автора-корреспондента Юн Хан Ху, топливная эффективность CSSFC может достигать 60%. Для сравнения, средний КПД двигателя внутреннего сгорания колеблется от 35% до 30%. Более высокая топливная эффективность CSSFC может привести к снижению выбросов углекислого газа в транспортных средствах.

Ресурсы

Ханьруй Су, Вэй Чжан и Юн Хан Ху (2023) «Твердые топливные элементы с карбонатной надстройкой и углеводородным топливом» PNAS doi: 10.1073/pnas.2208750119

Опубликовано 9 апреля 2023 г. в Топливные элементы, Обзор рынка, Твердотельные устройства | Постоянная ссылка | Комментарии (14)