carbonato de MTU

Oct 18, 2023

Las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) ofrecen una alta eficiencia energética y flexibilidad de combustible, pero requieren altas temperaturas de funcionamiento. Si bien la reducción de la temperatura de operación de las SOFC puede minimizar la degradación del material y permitir el uso de materiales menos costosos, tanto la resistencia del electrolito como la del electrodo aumentan exponencialmente con la disminución de la temperatura de operación.

Ahora, investigadores de la Universidad Tecnológica de Michigan han demostrado una celda de combustible sólido superestructurada con carbonato (CSSFC) en la que la generación in situ de carbonato superestructurado en la capa porosa de ceria dopada con samario crea un electrolito único con una conductividad iónica ultraalta de 0,17 S⋅cm−1 a 550 °C. El CSSFC muestra una mayor densidad de potencia con combustibles de hidrocarburos a temperaturas de funcionamiento más bajas. Un documento de acceso abierto sobre el trabajo aparece en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

… las SOFC de baja temperatura (LT-SOFC) con combustibles de hidrocarburos sufren pérdidas por polarización causadas por la caída de temperatura y la deposición de carbono (coquización). Esto sucede porque 1) la cinética de oxidación de los hidrocarburos es extremadamente lenta a temperaturas más bajas debido a los fuertes enlaces C-H y 2) la deposición de carbono desactiva los electrodos al cubrir los sitios catalíticos.

… una de las estrategias clave para mejorar la oxidación de hidrocarburos y reducir la coquización de las LT-SOFC es aumentar la conductividad iónica del oxígeno de los electrolitos. … Existen dos estrategias convencionales para mejorar la conductividad iónica del oxígeno de los electrolitos en las LT-SOFC, a saber, reducir el grosor del electrolito y desarrollar conductores iónicos rápidos. La película de electrolito ultradelgada requiere técnicas avanzadas e inevitablemente aumenta el costo y la complejidad de fabricación. Aunque los óxidos de bismuto exhibieron una conductividad iónica de oxígeno impresionante debido a sus abundantes vacantes de oxígeno, su poca estabilidad en condiciones de operación SOFC dificultaría sus aplicaciones. Por lo tanto, se requieren otras estrategias para desarrollar conductores iónicos eficientes.

El equipo planteó la hipótesis de que una interfaz continua entre el carbonato fundido y el conductor iónico sólido podría constituir un canal de transferencia rápida para los iones de oxígeno, es decir, una superestructura de carbonato de este tipo en un conductor iónico sólido sería un superconductor iónico de oxígeno.

Para probar esta hipótesis, fabricamos un dispositivo integrando un cátodo LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 (NCAL), un electrolito poroso Ce0.8Sm0.2O1.9 (SDC) y un Ni-BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0. Ánodo de 1O3–δ (BZCYYb) utilizando un procedimiento de prensado en seco de un paso sin sinterización a alta temperatura en este trabajo. Los electrodos y el electrolito siguen siendo estructuras porosas y nanocristalinas en el sistema. Luego, el carbonato fundido en las capas porosas de NCAL y SDC se genera in situ en las condiciones de operación de la celda, creando la celda de combustible superestructurada con carbonato (CSSFC).

Además, el CSSFC mostró una conductividad iónica ultraalta de 0,17 S⋅cm−1 a 550 °C, lo que generó un alto voltaje de circuito abierto (OCV) sin precedentes y una densidad de potencia máxima (PPD) muy alta, así como una excelente resistencia a la coquización con secado seco. combustible de metano a 550°C.

(A) Esquema de SOFC convencional, SOFC poroso y CSSFC. (B) El rendimiento de IVP de diferentes configuraciones de celdas de combustible con Ni-BZCYYb como ánodos que funcionan con CH4 a 550 °C. (C) El diagrama de Arrhenius dependiente de la temperatura de las conductividades iónicas de oxígeno de diferentes electrolitos con o sin modificación de carbonato. (D) Gráficas DSC de diferentes electrolitos en atmósfera de Ar. Su et al.

El autor correspondiente Yun Hang Hu estima que la eficiencia del combustible CSSFC podría alcanzar el 60%. En comparación, la eficiencia de combustible promedio de un motor de combustión oscila entre el 35 % y el 30 %. La mayor eficiencia de combustible del CSSFC podría conducir a menores emisiones de dióxido de carbono en los vehículos.

Recursos

Hanrui Su, Wei Zhang y Yun Hang Hu (2023) "Células de combustible sólido superestructuradas con carbonato con combustibles de hidrocarburos" PNAS doi: 10.1073/pnas.2208750119

Publicado el 09 de abril de 2023 en Pilas de combustible, Antecedentes del mercado, Estado sólido | Enlace permanente | Comentarios (14)