MTU-Karbonat

Oct 18, 2023

Festoxidbrennstoffzellen (SOFCs) bieten eine hohe Energieeffizienz und Brennstoffflexibilität, erfordern jedoch hohe Betriebstemperaturen. Obwohl eine Senkung der Betriebstemperatur von SOFCs die Materialverschlechterung minimieren und die Verwendung kostengünstigerer Materialien ermöglichen kann, steigen sowohl der Elektrolyt- als auch der Elektrodenwiderstand mit sinkender Betriebstemperatur exponentiell an.

Jetzt haben Forscher der Michigan Technological University eine Carbonat-überstrukturierte Festbrennstoffzelle (CSSFC) demonstriert, bei der durch die In-situ-Erzeugung von überstrukturiertem Carbonat in der porösen, mit Samarium dotierten Ceroxidschicht ein einzigartiger Elektrolyt mit einer ultrahohen Ionenleitfähigkeit von 0,17 S⋅cm−1 entsteht bei 550 °C. Die CSSFC zeigt eine höhere Leistungsdichte mit Kohlenwasserstoff-Brennstoffen bei niedrigeren Betriebstemperaturen. Ein Open-Access-Artikel zu der Arbeit erscheint in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

… Niedertemperatur-SOFCs (LT-SOFCs) mit Kohlenwasserstoff-Brennstoffen leiden unter Polarisationsverlusten, die durch Temperaturabfall und Kohlenstoffablagerung (Verkokung) verursacht werden. Dies liegt daran, dass 1) die Kohlenwasserstoffoxidationskinetik bei niedrigeren Temperaturen aufgrund der starken C-H-Bindungen extrem träge ist und 2) die Kohlenstoffablagerung die Elektroden deaktiviert, indem sie katalytische Stellen bedeckt.

… eine der Schlüsselstrategien zur Verbesserung der Kohlenwasserstoffoxidation und zur Reduzierung der Verkokung bei LT-SOFCs ist die Erhöhung der Sauerstoffionenleitfähigkeit von Elektrolyten. … Es gibt zwei konventionelle Strategien zur Verbesserung der Sauerstoffionenleitfähigkeit von Elektrolyten in LT-SOFCs, nämlich die Verringerung der Elektrolytdicke und die Entwicklung schneller Ionenleiter. Der ultradünne Elektrolytfilm erfordert fortschrittliche Techniken und erhöht zwangsläufig die Herstellungskosten und die Komplexität. Obwohl Wismutoxide aufgrund ihres hohen Sauerstoffgehalts eine beeindruckende Leitfähigkeit für Sauerstoffionen aufwiesen, würde ihre geringe Stabilität unter SOFC-Betriebsbedingungen ihre Anwendungen behindern. Daher sind andere Strategien erforderlich, um effiziente Ionenleiter zu entwickeln.

Das Team stellte die Hypothese auf, dass eine kontinuierliche Grenzfläche zwischen geschmolzenem Carbonat und festem Ionenleiter einen schnellen Übertragungskanal für Sauerstoffionen darstellen könnte – das heißt, eine solche Carbonat-Überstruktur auf einem festen Ionenleiter wäre ein Sauerstoff-Ionen-Supraleiter.

Um diese Hypothese zu testen, haben wir ein Gerät hergestellt, indem wir eine LiNi0,8Co0,15Al0,05O2 (NCAL)-Kathode, einen porösen Ce0,8Sm0,2O1,9 (SDC)-Elektrolyten und einen Ni-BaZr0,1Ce0,7Y0,1Yb0 integriert haben. 1O3–δ (BZCYYb)-Anode unter Verwendung eines einstufigen Trockenpressverfahrens ohne Hochtemperatursintern in dieser Arbeit. Die Elektroden und der Elektrolyt bleiben poröse und nanokristalline Strukturen im System. Anschließend wird geschmolzenes Carbonat in den porösen NCAL- und SDC-Schichten in situ unter Zellbetriebsbedingungen erzeugt, wodurch die Carbonat-Superstruktur-Brennstoffzelle (CSSFC) entsteht.

Darüber hinaus zeigte die CSSFC eine ultrahohe Ionenleitfähigkeit von 0,17 S⋅cm−1 bei 550 °C, was zu einer beispiellos hohen Leerlaufspannung (OCV) und einer sehr hohen Spitzenleistungsdichte (PPD) sowie einer hervorragenden Verkokungsbeständigkeit im trockenen Zustand führte Methanbrennstoff bei 550°C.

(A) Schematische Darstellung der konventionellen SOFC, der porösen SOFC und der CSSFC. (B) Die IVP-Leistung verschiedener Brennstoffzellenkonfigurationen mit Ni-BZCYYb als Anoden, betrieben mit CH4 bei 550 °C. (C) Das temperaturabhängige Arrhenius-Diagramm der Sauerstoffionenleitfähigkeiten verschiedener Elektrolyte mit oder ohne Carbonatmodifikation. (D) DSC-Diagramme verschiedener Elektrolyte in Ar-Atmosphäre. Su et al.

Der korrespondierende Autor Yun Hang Hu schätzt, dass die Treibstoffeffizienz der CSSFC 60 % erreichen könnte. Im Vergleich dazu liegt die durchschnittliche Kraftstoffeffizienz eines Verbrennungsmotors zwischen 35 und 30 %. Die höhere Kraftstoffeffizienz der CSSFC könnte zu geringeren Kohlendioxidemissionen in Fahrzeugen führen.

Ressourcen

Hanrui Su, Wei Zhang und Yun Hang Hu (2023) „Carbonate-superstructured solid Fuel Cells with Hydrocarbon Fuels“ PNAS doi: 10.1073/pnas.2208750119

Gepostet am 09. April 2023 in Brennstoffzellen, Markthintergrund, Festkörperzellen | Permalink | Kommentare (14)