Katı oksit yakıt hücresi - Solid oxide fuel cell

Bir katı oksit yakıt hücresi (veya SOFC ), bir yakıtı oksitleyerek doğrudan elektrik üreten bir elektrokimyasal dönüşüm cihazıdır . Yakıt hücreleri elektrolit malzemeleri ile karakterize edilir; SOFC katı oksit veya seramik elektrolite sahiptir.

Bu yakıt pili sınıfının avantajları arasında yüksek kombine ısı ve güç verimliliği, uzun vadeli kararlılık, yakıt esnekliği, düşük emisyon ve nispeten düşük maliyet bulunmaktadır. En büyük dezavantaj, daha uzun başlatma sürelerine ve mekanik ve kimyasal uyumluluk sorunlarına neden olan yüksek çalışma sıcaklığıdır .

Tanıtım

Katı oksit yakıt pilleri , elektrolit olarak katı oksit malzemesinin kullanılmasıyla karakterize edilen bir yakıt pili sınıfıdır . SOFC'ler, negatif oksijen iyonlarını katottan anoda iletmek için katı oksit elektrolit kullanır. Hidrojen , karbon monoksit veya diğer organik ara maddelerin oksijen iyonları tarafından elektrokimyasal oksidasyonu böylece anot tarafında meydana gelir . Daha yakın zamanlarda, geleneksel SOFC'lerden daha düşük sıcaklıklarda çalıştırabilme avantajıyla, elektrolit yoluyla oksijen iyonları yerine protonları taşıyan proton iletken SOFC'ler (PC-SOFC) geliştirilmektedir.

Çok yüksek sıcaklıklarda, tipik olarak 500 ile 1.000 °C arasında çalışırlar. Bu sıcaklıklarda, SOFC'ler , şu anda PEMFC'ler gibi daha düşük sıcaklıktaki yakıt hücreleri için gerekli olduğu gibi pahalı platin katalizör malzemesi gerektirmez ve karbon monoksit katalizörü zehirlenmesine karşı savunmasız değildir. Bununla birlikte, kükürt zehirlenmesine karşı hassasiyet yaygın olarak gözlemlenmiştir ve kükürt, adsorban yataklar veya başka yollarla hücreye girmeden önce uzaklaştırılmalıdır .

Katı oksit yakıt hücreleri, araçlarda yardımcı güç üniteleri olarak kullanımdan 100 W ila 2 MW çıkışlı sabit güç üretimine kadar çok çeşitli uygulamalara sahiptir. 2009'da Avustralyalı bir şirket olan Ceramic Fuel Cells , daha önce teorik olarak %60 olan bir SOFC cihazının verimliliğini başarıyla elde etti. Daha yüksek çalışma sıcaklığı, SOFC'leri , genel yakıt verimliliğini daha da artıran, ısı motoru enerji geri kazanım cihazları veya kombine ısı ve güç ile uygulama için uygun adaylar haline getirir.

Bu yüksek sıcaklıklar nedeniyle metan, propan ve bütan gibi hafif hidrokarbon yakıtlar anot içinde dahili olarak yeniden şekillendirilebilir. SOFC'ler ayrıca benzin, dizel, jet yakıtı (JP-8) veya biyoyakıtlar gibi daha ağır hidrokarbonları harici olarak reforme ederek de beslenebilir . Bu tür reformatlar, hidrokarbon yakıtların SOFC anodunun yukarısındaki bir cihazda hava veya buharla reaksiyona sokulmasıyla oluşturulan hidrojen, karbon monoksit, karbon dioksit, buhar ve metan karışımlarıdır. SOFC güç sistemleri, endotermik buhar reforming işlemi için yakıt hücresi içindeki ekzotermik elektrokimyasal oksidasyon tarafından verilen ısıyı kullanarak verimliliği artırabilir. Ek olarak, kömür ve biyokütle gibi katı yakıtlar , entegre gazlaştırma yakıt hücresi güç çevrimlerinde SOFC'leri beslemek için uygun olan sentez gazı oluşturmak üzere gazlaştırılabilir .

Termal genleşme , başlangıçta tek tip ve iyi düzenlenmiş bir ısıtma işlemi gerektirir. Düzlemsel geometriye sahip SOFC yığınlarının, çalışma sıcaklığına ısıtılması için yaklaşık bir saat gerekir. Mikro boru şeklindeki yakıt hücresi tasarım geometrileri, tipik olarak dakikalar düzeyinde çok daha hızlı başlatma süreleri vaat ediyor.

Diğer birçok yakıt hücresi türünün aksine , SOFC'ler birden fazla geometriye sahip olabilir. Düzlemsel yakıt hücre tasarımı, geometri elektrolit elektrot arasında sandviçlenmiş olan yakıt hücrelerinin en tipleri tarafından kullanılan tipik bir sandviç tipi bir geometridir. SOFC'ler, hava veya yakıtın borunun içinden geçtiği ve diğer gazın borunun dışından geçirildiği boru şeklindeki geometrilerde de yapılabilir. Boru şeklindeki tasarım avantajlıdır çünkü yakıttan havayı yalıtmak çok daha kolaydır. Bununla birlikte, düzlemsel tasarımın performansı şu anda boru şeklindeki tasarımın performansından daha iyidir, çünkü düzlemsel tasarım nispeten daha düşük bir dirence sahiptir. SOFC'lerin diğer geometrileri, dalga benzeri bir yapının düzlemsel hücrenin geleneksel düz konfigürasyonunun yerini aldığı değiştirilmiş düzlemsel yakıt hücresi tasarımlarını (MPC veya MPSOFC) içerir. Bu tür tasarımlar, hem düzlemsel hücrelerin (düşük direnç) hem de tübüler hücrelerin avantajlarını paylaştığı için oldukça umut vericidir.

Operasyon

Bir katı oksit yakıt hücresi, üçü seramik (dolayısıyla adı) olan dört katmandan oluşur . Birbirine yığılmış bu dört katmandan oluşan tek bir hücre, tipik olarak sadece birkaç milimetre kalınlığındadır. Bu hücrelerin yüzlercesi daha sonra çoğu insanın "SOFC yığını" olarak adlandırdığı şeyi oluşturmak için seri olarak bağlanır. SOFC'lerde kullanılan seramikler, çok yüksek sıcaklığa ulaşana kadar elektriksel ve iyonik olarak aktif hale gelmez ve sonuç olarak, yığınların 500 ila 1.000 °C arasında değişen sıcaklıklarda çalışması gerekir. Oksijenin oksijen iyonlarına indirgenmesi katotta gerçekleşir. Bu iyonlar daha sonra katı oksit elektrolit içinden yakıtı elektrokimyasal olarak oksitleyebilecekleri anoda yayılabilir. Bu reaksiyonda, iki elektronun yanı sıra bir su yan ürünü de verilir. Bu elektronlar daha sonra iş yapabilecekleri harici bir devreden geçerler. Döngü daha sonra bu elektronlar katot malzemesine tekrar girerken tekrarlanır.

Bitki dengesi

Bir SOFC'nin duruş süresinin çoğu, tesisin mekanik dengesinden , hava ön ısıtıcısından , ön- reformatörden , art yakıcıdan , su ısı eşanjöründen , anot artık gazı oksitleyiciden ve tesisin elektrik dengesi , güç elektroniği , hidrojen sülfür sensörü ve fanlardan kaynaklanır. Dahili reform, tam bir sistem tasarlamada tesis maliyetleri dengesinde büyük bir azalmaya yol açar .

Anot

Yakıtın elektrolite doğru akmasına izin vermek için seramik anot tabakası çok gözenekli olmalıdır. Sonuç olarak, anot üretim prosedürleri için genellikle granüler madde seçilir. Katot gibi, elektronları iletmelidir, iyonik iletkenlik kesin bir varlıktır. Anot, genellikle her bir hücredeki en kalın ve en güçlü katmandır, çünkü en küçük polarizasyon kayıplarına sahiptir ve genellikle mekanik desteği sağlayan katmandır. Elektrokimyasal olarak konuşursak, anotun görevi hidrojen yakıtını oksitlemek için elektrolitten yayılan oksijen iyonlarını kullanmaktır . Oksidasyon reaksiyonu oksijen iyonları ve hidrojen arasında ısı hem de su ve elektrik üretir. Yakıt hafif bir hidrokarbon, örneğin metan ise, anotun başka bir işlevi, yakıtı hidrojene dönüştüren buhar için bir katalizör görevi görmektir. Bu, yakıt hücresi yığınına başka bir operasyonel fayda sağlar çünkü reform reaksiyonu, yığını dahili olarak soğutan endotermiktir. En yaygın olarak kullanılan malzeme, a, sermet oluşan nikel , tipik olarak ısıl yalıtıcı YSZ (itriyum dengeli zirkonya), o belirli hücredeki elektrolit için kullanılan seramik malzeme ile karıştırılır. Bu nanomalzeme bazlı katalizörler , nikelin tane büyümesini durdurmaya yardımcı olur. Daha büyük nikel taneleri, iyonların iletilebileceği temas alanını azaltacak ve bu da hücre verimliliğini azaltacaktır. Perovskit malzemelerinin (karışık iyonik/elektronik iletken seramikler), 800 °C'de 0,7 V'de 0,6 W/cm2'lik bir güç yoğunluğu ürettiği gösterilmiştir; bu, daha büyük bir aktivasyon enerjisinin üstesinden gelme kabiliyetine sahip oldukları için mümkündür.

Kimyasal reaksiyon:

H ₂ +O ^2- ——> H ₂ O+2e

Bununla birlikte, anot malzemesi olarak YSZ ile ilişkili birkaç dezavantaj vardır. Ni kabalaşması, karbon birikimi, indirgeme-oksidasyon kararsızlığı ve kükürt zehirlenmesi, Ni-YSZ'nin uzun vadeli kararlılığını sınırlayan ana engellerdir. Ni kabalaşması, YSZ'de katkılı Ni parçacıklarının evrimini ifade eder, bu da tane boyutunda büyür, bu da katalitik reaksiyon için yüzey alanını azaltır. Karbon birikimi, hidrokarbon pirolizi veya CO orantısızlığı ile oluşturulan karbon atomları Ni katalitik yüzey üzerinde biriktiğinde meydana gelir. Karbon birikimi özellikle hidrokarbon yakıtlar, yani metan, sentez gazı kullanıldığında önem kazanmaktadır. SOFC'nin yüksek çalışma sıcaklığı ve oksitleyici ortam, Ni + ½ O ₂ = NiO reaksiyonu yoluyla Ni katalizörünün oksidasyonunu kolaylaştırır . Ni'nin oksidasyon reaksiyonu, elektrokatalitik aktiviteyi ve iletkenliği azaltır. Ayrıca, Ni ve NiO arasındaki yoğunluk farkı, anot yüzeyinde potansiyel olarak mekanik arızaya yol açabilecek hacim değişikliğine neden olur. Doğal gaz, benzin veya dizel gibi yakıtlar kullanıldığında kükürt zehirlenmesi ortaya çıkar. Yine, kükürt bileşikleri (H ₂ S, (CH ₃ ) ₂ S) ile metal katalizör arasındaki yüksek afinite nedeniyle , besleme akımındaki en küçük kükürt bileşiklerinin safsızlıkları bile YSZ yüzeyindeki Ni katalizörünü etkisiz hale getirebilir.

Mevcut araştırmalar, uzun vadeli performansı iyileştirmek için anottaki Ni içeriğini azaltmaya veya değiştirmeye odaklanmıştır. CeO ₂ , Y ₂ O ₃ , La ₂ O ₃ , MgO, TiO ₂ , Ru, Co, vb. dahil diğer malzemeleri içeren modifiye Ni-YSZ , kükürt zehirlenmesine direnmek için icat edilmiştir, ancak hızlı başlangıç ​​nedeniyle iyileştirme sınırlıdır. bozulma. Bakır bazlı serment anot, karbona karşı inert olduğu ve tipik SOFC oksijen kısmi basınçları (pO ₂ ) altında kararlı olduğu için karbon birikimine bir çözüm olarak kabul edilir . Cu-Co özellikle göstermek bimetal anotlar saf CH maruz kaldıktan sonra karbon birikimi büyük bir direnç ₄ 800C de. Ve Cu-CeO ₂ -YSZ sergiler Ni-YSZ üzerinde daha yüksek bir elektrokimyasal oksidasyon hızı, CO ve sentez gazına üzerinde çalışan ve H dışında CO kullanılarak daha yüksek bir performans elde edilebilir ₂ kobalt ko-katalizörün,. Zirkonya bazlı florit ve perovskitler dahil olmak üzere oksit anotlar da karbon direnci için Ni-seramik anotların yerini almak için kullanılır. Kromit yani La _0.8 Sr _0.2 Cr _0.5 Mn _0.5 O ₃ (LSCM'nin) anot olarak kullanılan ve Ni-YSZ sermet anotlar karşı kıyaslanabilir bir performans sergilemiştir edilir. LSCM, akım toplayıcı olarak Cu emdirilerek ve Pt püskürtülerek daha da geliştirildi.

Elektrolit

Elektrolit, oksijen iyonlarını ileten yoğun bir seramik tabakasıdır. Kaçak akımlardan kaynaklanan kayıpları önlemek için elektronik iletkenliği mümkün olduğunca düşük tutulmalıdır. SOFC'lerin yüksek çalışma sıcaklıkları, oksijen iyonu taşıma kinetiğinin iyi performans için yeterli olmasına izin verir. Bununla birlikte, çalışma sıcaklığı yaklaşık 600 °C'de SOFC'ler için alt sınıra yaklaştıkça, elektrolit büyük iyonik taşıma dirençlerine sahip olmaya başlar ve performansı etkiler. Popüler elektrolit malzemeleri arasında itriya ile stabilize edilmiş zirkonya (YSZ) (genellikle %8, 8YSZ'yi oluşturur), skandia stabilize zirkonya ( ScSZ ) (genellikle %9 mol Sc ₂ O ₃ – 9ScSZ) ve gadolinyum katkılı serya (GDC) bulunur. Elektrolit materyalin hücre performansları üzerinde çok önemli bir etkisi vardır. YSZ elektrolitleri ile lantanum stronsiyum kobalt ferrit (LSCF) gibi modern katotlar arasında zararlı reaksiyonlar bulunmuştur ve ince (<100 nm) seryum difüzyon bariyerleri ile önlenebilir .

SOFC'deki oksijen iyonlarının iletkenliği daha düşük sıcaklıklarda bile yüksek kalabilirse (araştırmadaki mevcut hedef ~500 °C), SOFC için malzeme seçenekleri genişleyecek ve mevcut birçok problem potansiyel olarak çözülebilir. İnce film biriktirme gibi belirli işleme teknikleri, bu sorunu mevcut malzemelerle şu yollarla çözmeye yardımcı olabilir:

• direnç iletken uzunluğu ile orantılı olduğundan oksijen iyonlarının hareket mesafesini ve elektrolit direncini azaltmak;
• sütunlu tane yapısı gibi daha az dirençli tane yapılarının üretilmesi;
• elektriksel özelliklerin "ince ayarını" elde etmek için mikroyapısal nano-kristal ince tanelerin kontrol edilmesi;
• Arayüzler olarak geniş arayüzey alanlarına sahip bina kompozitinin olağanüstü elektriksel özelliklere sahip olduğu gösterilmiştir.

Katot

Katot , ya da hava elektrot , oksijen indirgeme yer alır elektrolit üzerinde ince gözenekli bir tabakadır. Genel reaksiyon Kröger-Vink Notasyonunda aşağıdaki gibi yazılır :

${\displaystyle {\frac {1}{2}}\mathrm {O_{2}(g)} +2\mathrm {e'} +{V}_{o}^{\bullet \bullet }\longrightarrow { O}_{o}^{\kez }}$

Katot malzemeleri en azından elektriksel olarak iletken olmalıdır. Şu anda, lantan stronsiyum manganit (LSM), katkılı zirkonya elektrolitleriyle uyumluluğu nedeniyle ticari kullanım için tercih edilen katot malzemesidir. Mekanik olarak, YSZ'ye benzer bir termal genleşme katsayısına sahiptir ve bu nedenle CTE uyumsuzluğu nedeniyle stres oluşumunu sınırlar. Ayrıca LSM, malzemelerin ömrünü uzatan YSZ ile düşük seviyelerde kimyasal reaktiviteye sahiptir. Ne yazık ki, LSM zayıf bir iyonik iletkendir ve bu nedenle elektrokimyasal olarak aktif reaksiyon, elektrolit, hava ve elektrotun buluştuğu üçlü faz sınırı (TPB) ile sınırlıdır . LSM, yüksek sıcaklıklarda katot olarak iyi çalışır, ancak çalışma sıcaklığı 800 °C'nin altına düştüğünde performansı hızla düşer. TPB'nin ötesinde reaksiyon bölgesini arttırmak için, potansiyel bir katot malzemesi hem elektronları hem de oksijen iyonlarını iletebilmelidir. Bu üçlü faz sınır uzunluğunu arttırmak için LSM YSZ'den oluşan kompozit katotlar kullanılmıştır. Perovskite LSCF gibi karışık iyonik/elektronik iletken (MIEC) seramikler de daha aktif oldukları ve reaksiyonun aktivasyon enerjisindeki artışı telafi edebildikleri için orta sıcaklıktaki SOFC'lerde kullanım için araştırılmaktadır.

ara bağlantı

Ara bağlantı, her bir hücre arasına oturan metalik veya seramik bir katman olabilir. Amacı, her hücreyi seri olarak bağlamak, böylece her hücrenin ürettiği elektriğin birleştirilebilmesidir. Ara bağlantı, yüksek sıcaklıklarda hücrenin hem oksitleyici hem de indirgeyici tarafına maruz kaldığından, son derece kararlı olması gerekir. Bu nedenle seramikler, ara bağlantı malzemeleri olarak uzun vadede metallerden daha başarılı olmuştur. Ancak bu seramik ara bağlantı malzemeleri metallere kıyasla çok pahalıdır. Nikel ve çelik bazlı alaşımlar, daha düşük sıcaklık (600-800 °C) SOFC'ler geliştirildikçe daha umut verici hale geliyor. Y8SZ ile temas halinde olan bir ara bağlantı için tercih edilen malzeme metalik bir 95Cr-5Fe alaşımıdır. Yüksek sıcaklıklarda termal stabilite ve mükemmel elektriksel iletkenlik gösterdikleri için 'sermet' adı verilen seramik-metal kompozitler de değerlendirilmektedir.

Polarizasyonlar

Polarizasyonlar veya aşırı potansiyeller, yakıt hücresinin malzemeleri, mikro yapısı ve tasarımındaki kusurlardan kaynaklanan voltaj kayıplarıdır. Polarizasyonlar, elektrolit (iRΩ) boyunca iletilen oksijen iyonlarının omik direncinden, anot ve katotta elektrokimyasal aktivasyon bariyerlerinden ve son olarak gazların gözenekli anot ve katottan yüksek hızlarda dağılamaması nedeniyle konsantrasyon polarizasyonlarından kaynaklanır ( için ηA olarak gösterilir). anot ve katot için ηC). Hücre voltajı aşağıdaki denklem kullanılarak hesaplanabilir:

${\displaystyle {V}={E}_{0}-{iR}_{\omega }-{\eta }_{katot}-{\eta }_{anot}}$

nerede:

• ${\görüntüleme stili {E}_{0}}$= Reaktanların Nernst potansiyeli
• ${\görüntüleme stili R}$= Hücrenin elektrik ileten kısımlarının Thévenin eşdeğer direnç değeri
• ${\ Displaystyle {\ eta }_ {katot}}$ = katotta polarizasyon kayıpları
• ${\ Displaystyle {\ eta }_{anot}}$ = anottaki polarizasyon kayıpları

SOFC'lerde, yüksek çalışma sıcaklıkları çok az aktivasyon polarizasyonu yaşadığından, ohmik ve konsantrasyon polarizasyonlarına odaklanmak genellikle önemlidir. Ancak, SOFC çalışma sıcaklığının alt sınırına (~600 °C) yaklaşıldığında, bu polarizasyonlar önemli hale gelir.

Yukarıda belirtilen denklem, SOFC voltajını belirlemek için kullanılır (aslında genel olarak yakıt hücresi voltajı için). Bu yaklaşım, belirli deneysel verilerle (yeterli faktörlerin elde edildiği) iyi uyum ve orijinal deneysel çalışma parametreleri dışındakiler için zayıf uyum ile sonuçlanır. Ayrıca, kullanılan denklemlerin çoğu, belirlenmesi zor veya imkansız olan çok sayıda faktörün eklenmesini gerektirir. Tasarım mimarisi konfigürasyon seçiminin yanı sıra SOFC çalışma parametrelerinin herhangi bir optimizasyon sürecini çok zorlaştırır. Bu koşullar nedeniyle birkaç başka denklem önerildi:

${\displaystyle E_{SOFC}={\frac {E_{max}-i_{max}\cdot \eta _{f}\cdot r_{1}}{{\frac {r_{1}}{r_{2 }}}\cdot \left(1-\eta _{f}\sağ)+1}}}$

nerede:

• ${\displaystyle E_{SOFC}}$ = hücre voltajı
• ${\displaystyle E_{maks}}$ = Nernst denklemi tarafından verilen maksimum voltaj
• ${\displaystyle i_{maks}}$ = maksimum akım yoğunluğu (verilen yakıt akışı için)
• ${\displaystyle \eta _{f}}$ = yakıt kullanım faktörü
• ${\görüntüleme stili r_{1}}$ = elektrolitin iyonik özgül direnci
• ${\displaystyle r_{2}}$ = elektrolitin elektriksel özgül direnci.

Bu yöntem valide edilmiş ve katı oksit yakıt hücreli çeşitli sistemlerin tesis düzeyinde modellenmesinde optimizasyon ve duyarlılık çalışmaları için uygun bulunmuştur. Bu matematiksel açıklama ile SOFC'nin farklı özelliklerini hesaba katmak mümkündür. Elektrolit malzemesi, elektrolit kalınlığı, hücre sıcaklığı, anot ve katottaki giriş ve çıkış gaz bileşimleri ve elektrot gözenekliliği gibi hücre çalışma koşullarını etkileyen birçok parametre vardır. Bu sistemlerdeki akış genellikle Navier-Stokes denklemleri kullanılarak hesaplanır .

Ohmik polarizasyon

Bir SOFC'deki ohmik kayıplar, elektrolit yoluyla iyonik iletkenlikten ve harici elektrik devresindeki elektron akışına sunulan elektriksel dirençten kaynaklanır. Bu, doğal olarak kristal yapının ve ilgili atomların bir malzeme özelliğidir. Ancak iyonik iletkenliği maksimize etmek için birkaç yöntem yapılabilir. İlk olarak, daha yüksek sıcaklıklarda çalışmak bu omik kayıpları önemli ölçüde azaltabilir. Kristal yapıyı daha da iyileştirmek ve kusur konsantrasyonlarını kontrol etmek için ikameli doping yöntemleri de iletkenliği arttırmada önemli bir rol oynayabilir. Ohmik direnci azaltmanın bir başka yolu da elektrolit tabakasının kalınlığını azaltmaktır.

iyonik iletkenlik

Elektrolitin sıcaklığın bir fonksiyonu olarak iyonik özgül direnci aşağıdaki bağıntı ile tanımlanabilir:

${\displaystyle r_{1}={\frac {\delta }{\sigma }}}$

burada: – elektrolit kalınlığı ve – iyonik iletkenlik. ${\görüntüleme stili \delta }$${\görüntüleme stili \sigma }$

Katı oksidin iyonik iletkenliği şu şekilde tanımlanır:

${\displaystyle \sigma =\sigma _{0}\cdot e^{\frac {-E}{R\cdot T}}}$

burada: ve – elektrolit malzemelerine bağlı faktörler, – elektrolit sıcaklığı ve – ideal gaz sabiti. ${\görüntüleme stili \sigma _{0}}$${\görüntüleme stili E}$${\görüntüleme stili T}$${\görüntüleme stili R}$

konsantrasyon polarizasyonu

Konsantrasyon polarizasyonu, hücre içinde kütle taşınımı üzerindeki pratik sınırlamaların bir sonucudur ve kimyasal olarak aktif bölgelerdeki reaktan konsantrasyonundaki uzaysal değişikliklerden kaynaklanan voltaj kaybını temsil eder. Bu durum, reaktanların elektrokimyasal reaksiyon tarafından gözenekli elektrota yayılabileceğinden daha hızlı tüketilmesinden kaynaklanabilir ve ayrıca toplu akış bileşimindeki değişiklikten de kaynaklanabilir. İkincisi, reaktan akışlarında reaksiyona giren türlerin tüketiminin, hücre boyunca hareket ederken reaktan konsantrasyonunda bir düşüşe neden olması gerçeğinden kaynaklanmaktadır, bu da hücrenin kuyruk ucuna yakın yerel potansiyelde bir düşüşe neden olmaktadır.

Konsantrasyon polarizasyonu hem anotta hem de katotta meydana gelir. Hidrojenin oksidasyonu, hücrenin uzunluğu boyunca ilerlerken yakıt akışını daha da seyrelten buhar ürettiğinden, anot özellikle sorunlu olabilir. Bu polarizasyon, reaktan kullanım oranını azaltarak veya elektrot gözenekliliğini artırarak hafifletilebilir, ancak bu yaklaşımların her birinin önemli tasarım ödünleşimleri vardır.

Aktivasyon polarizasyonu

Aktivasyon polarizasyonu, elektrokimyasal reaksiyonlarla ilgili kinetiklerin sonucudur. Her reaksiyonun devam etmesi için aşılması gereken belirli bir aktivasyon bariyeri vardır ve bu bariyer polarizasyona yol açar. Aktivasyon bariyeri, polarizasyondan tipik olarak hız sınırlama adımının sorumlu olduğu birçok karmaşık elektrokimyasal reaksiyon adımının sonucudur. Aşağıda gösterilen polarizasyon denklemi , yüksek akım yoğunluğu rejiminde (hücrenin tipik olarak çalıştığı yerde) Butler-Volmer denkleminin çözülmesiyle bulunur ve aktivasyon polarizasyonunu tahmin etmek için kullanılabilir:

${\displaystyle {\eta }_{act}={\frac {RT}{{\beta }zF}}\times ln\left({\frac {i}{{i}_{0}}}\sağ )}$

nerede:

• ${\görüntüleme stili R}$ = gaz sabiti
• ${\görüntüleme stili {T}_{0}}$ = çalışma sıcaklığı
• ${\görüntüleme stili {\beta }}$ = elektron transfer katsayısı
• ${\görüntüleme stili z}$ = elektrokimyasal reaksiyonla ilişkili elektronlar
• ${\görüntüleme stili F}$ = Faraday sabiti
• ${\görüntüleme stili ben}$ = çalışma akımı
• ${\görüntüleme stili i_{0}}$ = değişim akımı yoğunluğu

Polarizasyon, mikroyapısal optimizasyon ile değiştirilebilir. Gözenekli, iyonik ve elektronik olarak iletken yolların hepsinin buluştuğu uzunluk olan Üçlü Faz Sınırı (TPB) uzunluğu, hücredeki elektrokimyasal olarak aktif uzunluk ile doğrudan ilgilidir. Uzunluk ne kadar büyük olursa, o kadar fazla reaksiyon meydana gelebilir ve dolayısıyla aktivasyon polarizasyonu o kadar az olur. TPB uzunluğunun optimizasyonu, mikro yapıyı etkilemek için işleme koşulları veya TPB uzunluğunu daha da artırmak için karışık bir iyonik/elektronik iletken kullanmak üzere malzeme seçimi ile yapılabilir.

Hedef

DOE'nin hedef gereksinimleri, sabit yakıt hücresi uygulamaları için 40.000 saat ve ulaşım sistemleri ( yakıt hücreli araçlar ) için 5.000 saatten fazla , ek gereksinim olmaksızın 10 kW kömür bazlı bir sistem için 40 $/kW fabrika maliyetidir . Ömür boyu etkiler (faz kararlılığı, termal genleşme uyumluluğu, eleman göçü, iletkenlik ve yaşlanma) ele alınmalıdır. Katı Hal Enerji Dönüşümü Alliance 1000 saat başına toplam bozunma 2008 (geçici) hedef 4,0% 'dir.

Araştırma

Araştırma şu anda daha düşük sıcaklıktaki SOFC'ler (600 °C) yönünde devam ediyor. Düşük sıcaklıklı sistemler, yalıtım, malzeme, başlatma ve bozulma ile ilgili maliyetleri azaltarak maliyetleri azaltabilir. Daha yüksek çalışma sıcaklıklarında, sıcaklık gradyanı, malzeme maliyetini ve sistemin ömrünü etkileyen termal streslerin şiddetini artırır. Bir ara sıcaklık sistemi (650-800 °C), daha iyi mekanik özelliklere ve termal iletkenliğe sahip daha ucuz metalik malzemelerin kullanımını mümkün kılacaktır . Nano ölçekli elektrolit yapılarındaki yeni gelişmelerin, çalışma sıcaklıklarını yaklaşık 350 °C'ye düşürdüğü, bu da daha ucuz çelik ve elastomerik / polimerik bileşenlerin kullanımını mümkün kılacak şekilde gösterilmiştir .

Çalışma sıcaklıklarının düşürülmesi, artan verimlilik avantajına sahiptir. Teorik yakıt hücresi verimliliği, azalan sıcaklıkla artar. Örneğin, yakıt olarak CO kullanan bir SOFC'nin verimliliği, sistem sıcaklığı 900 °C'den 350 °C'ye düşürüldüğünde %63'ten %81'e yükselir.

SOFC'lerin yakıt esnekliğini geliştirmek için araştırmalar da devam etmektedir. Çeşitli hidrokarbon yakıtlarda kararlı çalışma elde edilmiş olsa da, bu hücreler tipik olarak harici yakıt işlemeye dayanır. Doğal gaz durumunda , yakıt ya harici olarak ya da dahili olarak dönüştürülür ve kükürt bileşikleri çıkarılır. Bu süreçler, SOFC sistemlerinin maliyetine ve karmaşıklığına katkıda bulunur. Hidrokarbon oksidasyonu için anot malzemelerinin stabilitesini geliştirmek ve bu nedenle yakıt işleme gerekliliklerini gevşetmek ve tesis maliyetlerinin SOFC dengesini azaltmak için bir dizi kurumda çalışmalar devam etmektedir.

SOFC'leri mobil uygulamalarda uygulayabilmek için başlatma süresinin azaltılmasına yönelik araştırmalar da devam etmektedir. Bu kısmen, proton değişim membranlı yakıt hücreleri (PEMFC'ler) için geçerli olan çalışma sıcaklıklarının düşürülmesiyle sağlanabilir . Yakıt esneklikleri nedeniyle, kısmen yenilenmiş dizelle çalışabilirler ve bu, SOFC'leri frigorifik kamyonlarda yardımcı güç üniteleri (APU) olarak ilgi çekici hale getirir.

Özellikle, Delphi Otomotiv Sistemleri ederken, otomobil ve traktör-römork yardımcı birimler güç verecek bir SOFC geliştiriyoruz BMW geçenlerde benzer bir proje durdu. Yüksek sıcaklıktaki bir SOFC, motorun daha küçük ve daha verimli olmasını sağlamak için gereken tüm elektriği üretecektir. SOFC , motorla aynı benzin veya dizelle çalışacak ve motor gerekli olmadığında (örneğin, bir stop lambasında veya kamyon durduğunda) kapanırken klima ünitesini ve diğer gerekli elektrik sistemlerini çalışır durumda tutacaktır.

Rolls-Royce , ucuz seramik malzemeler üzerine serigrafi baskı ile üretilen katı oksit yakıt hücreleri geliştiriyor . Rolls-Royce Fuel Cell Systems Ltd, bir megawatt düzeyinde (örneğin Futuregen ) enerji üretimi uygulamaları için doğal gazla çalışan bir SOFC gaz türbini hibrit sistemi geliştiriyor .

3D baskı, Northwestern Üniversitesi'ndeki Shah Lab tarafından SOFC üretimini kolaylaştırmak için kullanılabilecek olası bir üretim tekniği olarak araştırılıyor. Bu üretim tekniği, SOFC hücre yapısının daha esnek olmasını sağlayacak ve bu da daha verimli tasarımlara yol açabilecektir. Bu süreç, hücrenin herhangi bir bölümünün üretiminde işe yarayabilir. 3D baskı işlemi, yaklaşık %80 seramik parçacıklarının %20 bağlayıcı ve çözücülerle birleştirilmesi ve ardından bu bulamacın bir 3D yazıcıya beslenebilecek bir mürekkebe dönüştürülmesiyle çalışır. Çözücünün bir kısmı çok uçucudur, bu nedenle seramik mürekkebi hemen katılaşır. Çözücünün tamamı buharlaşmaz, bu nedenle mürekkep, yoğunlaştırmak için yüksek sıcaklıkta ateşlenmeden önce bir miktar esnekliği korur. Bu esneklik, hücrelerin, elektrokimyasal reaksiyonların meydana gelebileceği yüzey alanını artıracak dairesel bir şekilde ateşlenmesine izin verir, bu da hücrenin verimliliğini artırır. Ayrıca 3D baskı tekniği, ayrı üretim ve istifleme adımlarından geçmek zorunda kalmadan hücre katmanlarının birbirinin üzerine yazdırılmasına olanak tanır. Kalınlığın kontrolü kolaydır ve katmanlar tam olarak ihtiyaç duyulan boyut ve şekilde yapılabilir, böylece atık en aza indirilir.

Ceres Güç Ltd, düşük maliyet ve mevcut sanayi standart seramik, yerine düşük sıcaklıkta (500-600 °) SOFC yığını kullanılarak seryum gadolinyum oksit (CGO) geliştirmiştir itriya stabilize edilmiş zirkonya ( YSZ kullanımına izin verir), paslanmaz çelik için seramiği destekler.

Solid Cell Inc., Cr içermeyen sermet ara bağlantısı ile birlikte düzlemsel ve boru şeklindeki tasarımların özelliklerini birleştiren benzersiz, düşük maliyetli bir hücre mimarisi geliştirmiştir .

Florida Üniversitesi, Gainesville'deki yüksek sıcaklık elektrokimya merkezi (HITEC), iyonik taşıma, elektrokatalitik olaylar ve iyon ileten malzemelerin mikroyapısal karakterizasyonu üzerine odaklanmıştır.

Bir Harvard yan kuruluşu olan SiEnergy Systems, 500 derecede çalışabilen ilk makro ölçekli ince film katı oksit yakıt hücresini sergiledi.

SOEC

Bir katı oksit elektrolizör hücresi (SOEC) ayarlanan bir katı oksit yakıt hücresi olduğu rejeneratif mod için suyun elektrolizi katı oksit, ya da seramik , elektrolit üretmek oksijen ve hidrojen gazı .

SOECs da CO elektroliz yapmak için kullanılabilir ₂ CO ve su ve oksijen ya da ko-elektroliz ve CO üretmek için ₂ sentez gazı ve oksijen üretilir.

ITSOFC

Ara sıcaklık (IT) aralığında, yani 600 ve 800 °C arasında çalışan SOFC'ler, ITSOFC'ler olarak adlandırılır. 900 °C'yi aşan sıcaklıklarda oluşan yüksek bozunma oranları ve malzeme maliyetleri nedeniyle, SOFC'leri daha düşük sıcaklıklarda çalıştırmak ekonomik olarak daha uygundur. Yüksek performanslı ITSOFC'lere yönelik baskı, şu anda birçok araştırma ve geliştirmenin konusudur. Odak alanlarından biri katot malzemesidir. Performanstaki kaybın çoğundan oksijen indirgeme reaksiyonunun sorumlu olduğu düşünülür, bu nedenle katodun katalitik aktivitesi incelenmekte ve katalizör emdirme dahil çeşitli tekniklerle geliştirilmektedir. NdCrO ₃ üzerine yapılan araştırma , sıcaklık aralığında termokimyasal olarak kararlı olduğu için ITSOFC'nin katodu için potansiyel bir katot malzemesi olduğunu kanıtlamaktadır.

Bir diğer odak alanı elektrolit malzemelerdir. SOFC'leri piyasada rekabetçi hale getirmek için, ITSOFC'ler alternatif yeni malzemeler kullanarak daha düşük çalışma sıcaklığına doğru ilerliyorlar. Bununla birlikte, malzemelerin verimliliği ve kararlılığı, fizibilitelerini sınırlar. Elektrolit yeni malzemeler için bir seçenek, serya tuzu seramik kompozitleridir (CSC'ler). İki fazlı CSC elektrolitleri GDC (gadolinyum katkılı ceria) ve SDC (samaria katkılı ceria)-MCO ₃ (M=Li, Na, K, tek veya karbonat karışımı) 300-800 mW* güç yoğunluğuna ulaşabilir cm ^-2 .

LT-SOFC

650 °C'nin altında çalışan düşük sıcaklıklı katı oksit yakıt hücreleri (LT-SOFC'ler), gelecekteki araştırmalar için büyük ilgi görmektedir, çünkü yüksek çalışma sıcaklığı şu anda SOFC'lerin geliştirilmesini ve dağıtımını kısıtlayan şeydir. Düşük sıcaklıklı bir SOFC, daha küçük termal uyumsuzluk ve daha kolay sızdırmazlık nedeniyle daha güvenilirdir. Ek olarak, daha düşük bir sıcaklık daha az yalıtım gerektirir ve bu nedenle daha düşük maliyetlidir. Ara bağlantılar ve sıkıştırıcı cam olmayan/seramik contalar için daha geniş malzeme seçenekleri nedeniyle maliyet daha da düşer. Belki de en önemlisi, daha düşük bir sıcaklıkta, SOFC'ler daha hızlı ve daha az enerji ile başlatılabilir, bu da taşınabilir ve taşınabilir uygulamalarda kullanıma uygundur.

Sıcaklık azaldıkça, maksimum teorik yakıt hücresi verimliliği, Carnot çevriminin aksine artar. Örneğin, yakıt olarak CO kullanan bir SOFC'nin maksimum teorik verimliliği, 900 °C'de %63'ten 350 °C'de %81'e yükselir.

Bu, özellikle SOFC'deki elektrolit için bir malzeme sorunudur. YSZ, en yüksek iletkenliğe sahip olmamasına rağmen üstün kararlılığı nedeniyle en yaygın kullanılan elektrolittir. Şu anda, YSZ elektrolitlerinin kalınlığı, biriktirme yöntemleri nedeniyle minimum ~ 10 μm'dir ve bu, 700 °C'nin üzerinde bir sıcaklık gerektirir. Bu nedenle, düşük sıcaklıklı SOFC'ler yalnızca daha yüksek iletkenlikteki elektrolitlerle mümkündür. Düşük sıcaklıkta başarılı olabilecek çeşitli alternatifler arasında gadolinyum katkılı seryum (GDC) ve erbia-katyon stabilize bizmut (ERB) bulunur. Daha düşük sıcaklıklarda üstün iyonik iletkenliğe sahiptirler, ancak bu, daha düşük termodinamik kararlılık pahasına gelir. CeO2 elektrolitleri elektronik olarak iletken hale gelir ve Bi2O3 elektrolitleri, azaltıcı yakıt ortamı altında metalik Bi'ye ayrışır.

Bununla mücadele etmek için, araştırmacılar, anot tarafındaki GDC katmanının ESB katmanını çürümekten korurken, katot tarafındaki ESB'nin GDC katmanı boyunca kaçak akımı bloke ettiği, işlevsel olarak derecelendirilmiş bir seryum/bizmut oksit iki katmanlı elektrolit oluşturdular. Bu, kendi başlarına uygulama için yeterince kararlı olmayacak olan iki yüksek iletken elektrolit ile teorike yakın açık devre potansiyeline (OPC) yol açar. Bu çift tabaka, 500 °C'de 1400 saatlik test için stabil olduğunu kanıtladı ve arayüzey faz oluşumu veya termal uyumsuzluk belirtisi göstermedi. Bu, SOFC'lerin çalışma sıcaklığını düşürmeye yönelik adımlar atarken, aynı zamanda bu mekanizmayı denemek ve anlamak için gelecekteki araştırmalara da kapı açar.

Georgia Institute of Technology'deki araştırmacılar, BaCeO _3'ün kararsızlığıyla farklı şekilde ilgilendiler . Bunlar BaCeO bir Ce istenen kısmını ikame ₃ sergiler proton iletkenliği bir katı çözelti oluşturmak üzere Zr ile değil, aynı zamanda yakıt hücresi işlevi için ilgili Koşullar aralığı üzerinde kimyasal ve termal stabilite. SOFC uygulamaları için bilinen tüm elektrolit malzemelerinin en yüksek iyonik iletkenliğini gösteren yeni bir özel bileşim olan Ba(Zr0.1Ce0.7Y0.2)O3-δ (BZCY7). Bu elektrolit, 15 um'den daha ince çatlaksız filmlerin üretilmesine izin veren kuru presleme tozları ile üretildi. Bu basit ve uygun maliyetli üretim yönteminin uygulanması, SOFC üretiminde önemli maliyet düşüşleri sağlayabilir. Bununla birlikte, bu elektrolit, çift katmanlı elektrolit modelinden daha yüksek sıcaklıklarda çalışır, 500 °C'den ziyade 600 °C'ye yakındır.

Halihazırda, LT-SOFC'ler için alanın durumu göz önüne alındığında, elektrolitteki ilerleme en fazla faydayı sağlayacaktır, ancak potansiyel anot ve katot malzemelerine yönelik araştırmalar da faydalı sonuçlara yol açacaktır ve literatürde daha sık tartışılmaya başlanmıştır.

SOFC-GT

Bir SOFC-GT sistemi, bir gaz türbini ile birleştirilmiş bir katı oksit yakıt hücresinden oluşan sistemdir. Bu tür sistemler Siemens Westinghouse ve Rolls-Royce tarafından SOFC'yi basınç altında çalıştırarak daha yüksek işletme verimliliği elde etmenin bir yolu olarak değerlendirilmiştir . SOFC-GT sistemleri tipik olarak anodik ve/veya katodik atmosfer devridaimini içerir, böylece verimliliği arttırır .

Teorik olarak, SOFC ve gaz türbininin kombinasyonu, yüksek genel (elektriksel ve termal) verimlilikle sonuç verebilir. SOFC-GT'nin birleştirilmiş soğutma, ısı ve güç (veya trijenerasyon ) konfigürasyonunda ( HVAC aracılığıyla) daha fazla kombinasyonu, bazı durumlarda daha da yüksek termal verimlilik sağlama potansiyeline sahiptir.

Kişiye hibrit sisteminin bir başka özelliği,% 100 CO kazanç üzerinde ₂ karşılaştırılabilir yüksek enerji verimliliği yakalama. Sıfır CO ₂ emisyonu ve yüksek enerji verimliliği gibi bu özellikler santral performansını kayda değer kılmaktadır.

DCFC

Katı kömür yakıtının ek gazlaştırma ve reform işlemleri olmadan doğrudan kullanımı için, yüksek sıcaklıkta bir enerji dönüşüm sisteminin umut verici yeni bir konsepti olarak bir doğrudan karbon yakıt hücresi ( DCFC ) geliştirilmiştir. Kömür bazlı bir DCFC'nin geliştirilmesindeki temel ilerleme, temel olarak katı oksit, erimiş karbonat ve erimiş hidroksit gibi kullanılan elektrolit malzemelerine ve ayrıca katı oksit ve erimiş karbonat ikili elektrolit veya erimiş karbonattan oluşan hibrit sistemlere göre kategorize edilmiştir. sıvı anot (Fe, Ag, In, Sn, Sb, Pb, Bi ve alaşımları ve metal/metal oksit) katı oksit elektroliti. GDC-Li / Na ile DCFC ile Halk araştırma ₂ CO ₃ elektrolit olarak, Sm _0.5 Sr _0.5 CoO ₃ katot gösterir iyi bir performans gibi. 48 mW, en yüksek güç yoğunluğu * cm ^-2 ° C ile O 500 ulaşılabilir ₂ ve CO ₂ oksitleyici olarak ve tüm sistem 600, 500 ° C ° C sıcaklık aralığı içerisinde stabil olan.

SOFC çöp gazıyla çalışıyor

Her hane günlük olarak atık/çöp üretir. 2009'da Amerikalılar, günde kişi başına 4,3 pound atık olan yaklaşık 243 milyon ton belediye katı atığı üretti. Tüm bu atıklar depolama sahalarına gönderilir. Düzenli depolama sahalarında biriken atıkların ayrışmasından üretilen depolama gazı, metan önemli bir bileşen olduğu için değerli bir enerji kaynağı olma potansiyeline sahiptir. Halihazırda, çöp sahalarının çoğu ya gazlarını fişeklerle yakıyor ya da elektrik üretmek için mekanik motorlarda yakıyor. Mekanik motorlarla ilgili sorun, gazların eksik yanmasının atmosferin kirlenmesine yol açabilmesi ve aynı zamanda oldukça verimsiz olmasıdır.

Bir SOFC sistemini beslemek için çöp gazının kullanılmasıyla ilgili sorun, çöp gazının hidrojen sülfür içermesidir. Biyolojik atığı kabul eden herhangi bir depolama sahası, yaklaşık 50-60 ppm hidrojen sülfür ve yaklaşık 1-2 ppm merkaptan içerecektir. Bununla birlikte, indirgenebilir kükürt türleri içeren yapı malzemeleri, esas olarak alçı bazlı duvar levhalarında bulunan sülfatlar, yüzlerce ppm'de önemli ölçüde daha yüksek sülfür seviyelerine neden olabilir. 750 ⁰C'lik çalışma sıcaklıklarında, yaklaşık 0,05 ppm'lik hidrojen sülfür konsantrasyonları, SOFC'lerin performansını etkilemeye başlar.

Ni + H ₂ S → NiS + H ₂

Yukarıdaki reaksiyon, kükürtün anot üzerindeki etkisini kontrol eder.

Bu, aşağıda hesaplanan arka plan hidrojenine sahip olarak önlenebilir.

453 K'da denge sabiti 7.39 x 10 ^-5'dir

453 K'da hesaplanan ΔG 35.833 kJ/mol'dür

Oda sıcaklığında (298 K) standart oluşum ısısı ve entropi ΔG kullanıldığında 45.904 kJ/mol olduğu ortaya çıktı.

1023 K'ye ekstrapolasyonda, ΔG -1.229 kJ/mol'dür

_İkamede , 1023 K'daki K _eq , 1.44 x 10 ^−4'tür . Bu nedenle, teorik olarak biz 5 ppm, H NIS oluşumunu önlemek için% 3.4 hidrojen mi ₂ S.

Ayrıca bakınız

• Yardımcı güç ünitesi
• Bloom Energy Server – Bir Amerikan şirketinden SOFC ürünü
• Ceramic Fuel Cells Ltd - Katı oksit yakıt hücreleri üreten Avustralyalı şirket
• Yakıt hücresi terimleri sözlüğü
• hidrojen teknolojileri
• Mikro kombine ısı ve güç

Referanslar

Dış bağlantılar

• SOFC'lerle ilgili ABD Enerji Bakanlığı sayfası
• SOFC'lerde Ulusal Enerji Teknolojisi Laboratuvarı web sitesi
• YCES Ansiklopedisinde bir makale
• SOFC'lerde Illinois Teknoloji Enstitüsü sayfası
• Bina Uygulamalarında Katı Oksit Yakıt Pillerinin Değerlendirilmesi Aşama 1: Modelleme ve Ön Analizler
• SOFC'lere CSA Genel Bakış
• SOFC cam seramik sızdırmazlık
• Refrakter Uzmanlık A.Ş.
• Materials & Systems Research, Inc.'in (MSRI)
• Katı Oksit Yakıt Pili (SOFC) Pazarı
• Katı Oksit Yakıt Hücreleri Kanada (SOFCC) Stratejik Araştırma Ağı
• SOFC Dinamiği ve Kontrol Araştırması
• Katı Hal Enerji Dönüşüm İttifakı (SECA)
• SOFC Üretim Ekipmanları