Carbonato MTU

Oct 18, 2023

Le celle a combustibile a ossido solido (SOFC) offrono elevata efficienza energetica e flessibilità del combustibile, ma richiedono temperature operative elevate. Sebbene l’abbassamento della temperatura operativa delle SOFC possa ridurre al minimo il degrado del materiale e consentire l’uso di materiali meno costosi, sia le resistenze dell’elettrolita che quelle degli elettrodi aumentano esponenzialmente al diminuire della temperatura operativa.

Ora, i ricercatori della Michigan Technological University hanno dimostrato una cella a combustibile solido sovrastrutturata con carbonato (CSSFC) in cui la generazione in situ di carbonato sovrastrutturato nello strato poroso di ceria drogato con samario crea un elettrolita unico con conduttività ionica ultraelevata di 0,17 S⋅cm−1. a 550°C. Il CSSFC mostra una maggiore densità di potenza con combustibili idrocarburici a temperature operative più basse. Un documento ad accesso libero sul lavoro appare in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

… le SOFC a bassa temperatura (LT-SOFC) con combustibili idrocarburici soffrono di perdite di polarizzazione causate dal calo di temperatura e dalla deposizione di carbonio (coking). Ciò accade perché 1) la cinetica di ossidazione degli idrocarburi è estremamente lenta a temperature più basse a causa dei forti legami C – H e 2) la deposizione di carbonio disattiva gli elettrodi coprendo i siti catalitici.

… una delle strategie chiave per migliorare l’ossidazione degli idrocarburi e ridurre la coking per gli LT-SOFC è aumentare la conduttività ionica dell’ossigeno degli elettroliti. … Esistono due strategie convenzionali per migliorare la conduttività ionica dell'ossigeno degli elettroliti nelle LT-SOFC, vale a dire ridurre lo spessore dell'elettrolita e sviluppare conduttori ionici veloci. La pellicola elettrolitica ultrasottile richiede tecniche avanzate e inevitabilmente aumenta i costi e la complessità di fabbricazione. Sebbene gli ossidi di bismuto abbiano mostrato un'impressionante conduttività ionica dell'ossigeno a causa dei loro ricchi posti vacanti di ossigeno, la loro scarsa stabilità in condizioni operative SOFC ne ostacolerebbe le applicazioni. Pertanto, sono necessarie altre strategie per sviluppare conduttori ionici efficienti.

Il team ha ipotizzato che un'interfaccia continua tra carbonato fuso e conduttore ionico solido potrebbe costituire un canale di trasferimento veloce per gli ioni di ossigeno, ovvero che una tale sovrastruttura di carbonato su un conduttore ionico solido sarebbe un superconduttore ionico di ossigeno.

Per testare questa ipotesi, abbiamo fabbricato un dispositivo integrando un catodo LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 (NCAL), un elettrolita poroso Ce0.8Sm0.2O1.9 (SDC) e un Ni-BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0. Anodo 1O3–δ (BZCYYb) utilizzando una procedura di pressatura a secco in una sola fase senza sinterizzazione ad alta temperatura in questo lavoro. Gli elettrodi e l'elettrolita rimangono strutture porose e nanocristalline nel sistema. Quindi, il carbonato fuso negli strati porosi NCAL e SDC viene generato in situ nelle condizioni operative della cella, creando la cella a combustibile sovrastrutturata a carbonato (CSSFC).

Inoltre, il CSSFC ha mostrato una conduttività ionica ultraelevata di 0,17 S⋅cm−1 a 550 °C, portando a un'elevata tensione a circuito aperto (OCV) senza precedenti e una densità di potenza di picco (PPD) molto elevata, nonché un'eccellente resistenza al coking con secco combustibile metano a 550°C.

(A) Schema di SOFC convenzionale, SOFC poroso e CSSFC. (B) Le prestazioni IVP di diverse configurazioni di celle a combustibile con Ni-BZCYYb come anodi operati su CH4 a 550 °C. (C) Il grafico di Arrhenius dipendente dalla temperatura delle conduttività ioniche dell'ossigeno di diversi elettroliti con o senza modifica del carbonato. (D) Grafici DSC di diversi elettroliti nell'atmosfera di Ar. Su et al.

L'autore corrispondente Yun Hang Hu stima che l'efficienza del carburante CSSFC potrebbe raggiungere il 60%. In confronto, il rendimento medio del carburante di un motore a combustione varia tra il 35% e il 30%. La maggiore efficienza del carburante del CSSFC potrebbe portare a una riduzione delle emissioni di anidride carbonica nei veicoli.

Risorse

Hanrui Su, Wei Zhang e Yun Hang Hu (2023) "Celle a combustibile solido sovrastrutturate a carbonato con combustibili idrocarburici" PNAS doi: 10.1073/pnas.2208750119

Pubblicato il 09 aprile 2023 in Celle a combustibile, Contesto del mercato, Stato solido | Collegamento permanente | Commenti (14)