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Esquema de una celda de combustible de óxido sólido

Una celda de combustible de óxido sólido (o SOFC) es un dispositivo de conversión electroquímico que electricidad de productos directamente de la oxidación-reducción de un combustible. Las celdas de combustible están caracterizadas por el tipo de electrolito que poseen, que puede ser un óxido sólido o un electrolito cerámico. Entre las ventajas que presenta se incluye su alta eficiencia, un largo período de estabilidad, flexibilidad de combustible, bajas emisiones, y un costo relativamente bajo. La mayor desventaja es la alta temperatura a la que operan, lo que deviene en tiempos de inicio más prolongados y problemas de compatibilidad mecánica y química.​

Introducción

celdas de combustible de óxido sólidas son una clase de celdas de combustible caracterizaron por el uso de un material de óxido sólido como el electrólito. SOFCs Utiliza un electrólito de óxido sólido para conducir iones de oxígeno negativo del cátodo al ánodo. La oxidación electroquímica de los iones de oxígeno con hidrógeno o monóxido de carbono así ocurre en el lado de ánodo. Más recientemente, que conduce protón SOFCs (PC-SOFC) está siendo desarrollado qué protones de transporte en vez de iones de oxígeno a través del electrólito con la ventaja de ser capaz de ser corrido en temperaturas más bajas que tradicionales SOFCs.

Operan en temperaturas muy altas, típicamente entre 500 y 1,000 °C. En estas temperaturas, SOFCs no requiere material de catalizador de platino caro, cuando es actualmente necesario para celdas de combustible de temperatura más bajas como PEMFCs, y no es vulnerable a envenenamiento de catalizador de monóxido de carbono. Aun así, la vulnerabilidad a envenenamiento de azufre ha sido ampliamente observado y el azufre tiene que ser sacado antes de introducir la celda a través del uso de adsorbent camas u otro medio.

celdas de combustible de óxido sólidas tienen una variedad ancha de aplicaciones, de utilizar poder tan auxiliar unidades en vehículos a stationary generación de poder con producciones de 100 W a 2 MW. En 2009, compañía australiana, celdas de Combustible Cerámico exitosamente consiguieron una eficacia de un SOFC dispositivo hasta la marca anteriormente teórica de 60%.​​ La marca de temperatura operativa más alta SOFCs candidatos adecuados para aplicación con recuperación de energía de motor de calor dispositivos o poder y calor combinados, el cual más allá aumenta eficacia de combustible global.

Debido a estas temperaturas altas, combustibles de hidrocarburo ligero, como metano, propane, y butane puede ser internamente reformado dentro del ánodo. SOFCs También puede ser alimentado por externally reformando hidrocarburos más pesados, como gasolina, diésel, combustible de jet (JP-8) o biocombustibles. Tal reformates es mezclas de hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono, vapor y metano, formados por reaccionar los combustibles de hidrocarburo con aire o vapor en un dispositivo río arriba del SOFC ánodo. SOFC Sistemas de poder pueden aumentar eficacia por utilizar el calor emitido por la oxidación electroquímica exotérmica dentro de la celda de combustible para el vapor endotérmico que reforma proceso. Además, los combustibles sólidos como carbón y biomasa pueden ser gasificados para formar syngas cuál es propio para alimentar SOFCs en celda de combustible de gasificación integrada ciclos de poder.

La expansión térmica reclama un uniforme y bien-reguló calentar proceso en startup. SOFC stacks Con la geometría planar requiere del orden de una hora para ser calentada a ligero-fuera temperatura. Micro-Diseño de celda de combustible tubular las geometrías prometen mucho inicio más rápido arriba de tiempo, típicamente del orden de minutos.

Diferente la mayoría de otros tipos de celdas de combustible, SOFCs puede tener geometrías múltiples. El diseño de celda de combustible planar la geometría es la geometría de tipo de emparedado típica empleado por más tipos de celdas de combustible, donde el electrólito es sandwiched en entre los electrodos. SOFCs También puede ser hecho en geometrías tubulares donde cualquier aire o el combustible está pasado a través del interior del tubo y el otro gas está pasado a lo largo del exterior del tubo. El diseño tubular es ventajoso porque es mucho más fácil de sellar aire del combustible. El rendimiento del diseño planar es actualmente mejor que el rendimiento del diseño tubular, aun así, porque el diseño planar tiene una resistencia más baja comparativamente. Otras geometrías de SOFCs incluir celda de combustible planar modificada diseños (MPC o MPSOFC), donde un ondulatorios-gustar la estructura reemplaza la configuración plana tradicional de la celda planar. Tales diseños altamente están prometiendo porque comparten las ventajas de ambas celdas planares (resistencia baja) y celdas tubulares.

Operación

Cross sección de tres capas cerámicas de un tubulares SOFC. De izquierdo a correcto: cátodo poroso, electrólito denso, ánodo poroso

Una celda de combustible de óxido sólida está hecha de cuatro capas, tres de los cuales son cerámica (por ello el nombre). Una celda sola que consta de estas cuatro capas stacked juntos es típicamente sólo unos cuantos milímetros gruesos. Los centenares de estas celdas son entonces conectados en serie para formar lo que la mayoría de personas refieren a como un "SOFC stack". La cerámica utilizada en SOFCs no deviene eléctricamente y ionically activo hasta que logran temperatura muy alta y como consecuencia, el stacks tiene que corrido en las temperaturas que varían de 500 a 1,000 °C. Reducción del oxígeno a iones de oxígeno ocurre en el cátodo. Estos iones pueden entonces difusos a través del electrólito de óxido sólido al ánodo donde pueden electrochemically oxidize el combustible. En esta reacción, una agua byproduct está emitido así como dos electrones. Estos electrones entonces flujo a través de un circuito externo donde pueden hacer trabajo. El ciclo entonces repite como aquellos electrones introducen el material de cátodo otra vez.

Equilibrio de planta

La mayoría del downtime de un SOFC raíces del equilibrio mecánico de planta, el aire preheater, prereformer, afterburner, intercambiador de calor del agua, gas de cola del ánodo oxidizer, y equilibrio eléctrico de planta, electrónica de poder, hidrógeno sulfide sensor y seguidores. Interno reformando ventajas a una disminución grande en el equilibrio de costes de planta en diseñar un sistema lleno.

Ánodo

La capa de ánodo cerámica tiene que ser muy porosa de dejar el combustible para fluir hacia el electrólito. Consiguientemente, el asunto granular es a menudo seleccionado para ánodo fabrication procedimientos.​ Como el cátodo, tenga que conducir electrones, con conductividad iónica una ventaja definitiva. El material más común utilizó es un cermet hizo del níquel mezclado con el cerámico material aquello está utilizado para el electrólito en aquella celda particular, típicamente YSZ (yttria estabilizado zirconia) nanomaterial-basó catalizadores, este YSZ ayudas de parte paran el crecimiento de grano de níquel. Los granos más grandes de níquel reducirían el área de contacto que los iones pueden ser conducidos a través de, el cual bajaría la eficacia de celdas. El ánodo es generalmente la capa más gruesa y más fuerte en cada celda individual, porque tiene las pérdidas de polarización más pequeñas, y es a menudo la capa que proporciona el soporte mecánico. Electrochemically Hablando, el trabajo del ánodo es para utilizar los iones de oxígeno que difusos a través del electrólito a oxidize el combustible de hidrógeno.

La reacción de oxidación entre los iones de oxígeno y el calor de productos del hidrógeno así como agua y electricidad.

Si el combustible es un hidrocarburo ligero , por ejemplo, metano, otra función del ánodo es para actuar como catalizador para el vapor que reforma el combustible a hidrógeno. Esto proporciona otro beneficio operacional a la celda de combustible stack porque la reacción de reformar es endotérmica, el cual enfría el stack internamente. Perovskite Materiales (mixtos iónicos/electrónicos conduciendo cerámica) ha sido mostrado para producir una densidad de poder de 0.6 W/cm2 en 0.7 V en 800 °C cuál es posible porque tienen la capacidad de vencer una energía de activación más grande.​

Electrólito

El electrólito es una capa densa de cerámico que iones de oxígeno de las conductas. Su conductividad electrónica tiene que ser mantenida tan abajo tan posible de impedir pérdidas de corrientes de escape. Las temperaturas operativas altas de SOFCs dejar el kinetics de transporte de ión del oxígeno para ser suficiente para rendimiento bueno. Aun así, cuando la temperatura operativa se acerca el límite más bajo para SOFCs en alrededor 600 °C

, el electrólito empieza para tener resistencias de transporte iónicas grandes y afectar el rendimiento. Materiales de electrólito popular incluyen yttria-estabilizados zirconia (YSZ) (a menudo la 8% forma 8YSZ), scandia estabilizó zirconia (ScSZ) (normalmente 9 mol%Sc2O3 @– 9ScSZ) y el gadolinio dopó ceria (GDC).​ El material de electrólito tiene influencia crucial en los rendimientos de celda.​ Detrimental Reacciones entre YSZ electrólitos y cátodos modernos como lanthanum ferrita de cobalto del estroncio (LSCF) ha sido encontrado, y puede ser impedido por delgado (<100 nm) ceria barreras de difusión.​

Si la conductividad para iones de oxígeno en SOFC puede quedar alto incluso en temperaturas más bajas (objetivo actual en búsqueda ~500 °C), elecciones materiales para SOFC ampliará y muchos existiendo los problemas potencialmente pueden ser solucionados. Técnicas de procesamiento seguro como deposición de película delgada pueden ayudar solucionar este problema con existir materiales por:​

• Reduciendo la distancia ambulante de iones de oxígeno y resistencia de electrólito cuando la resistencia es inversely proporcional a longitud de director;

• Produciendo el grano estructura aquello es menos resistive como estructura de grano columnar;

• Controlando el microstructural nano-granos buenos cristalinos para conseguir "afinando" de propiedades eléctricas;

• Edificio composite poseyendo grande interfacial las áreas como interfaces han sido mostradas para tener propiedades eléctricas extraordinarias.

Cátodo

El cátodo, o electrodo de aire, es una capa porosa delgada en el electrólito donde reducción de oxígeno tiene lugar. La reacción global está escrita en Kröger-Vink Notación como sigue:

${\displaystyle }$

Materiales de cátodo tienen que ser, en un mínimo, electrónicamente conductor. Actualmente, lanthanum estroncio manganite (LSM) es el material de cátodo de elección para uso comercial debido a su compatibilidad con dopado zirconia electrólitos. Mechanically, tiene un coeficiente similar de expansión térmica a YSZ y así limita tensión buildup debido a CTE mismatch. También, LSM ha abajo niveles de reactividad química con YSZ cuál extiende el lifetime de los materiales. Desafortunadamente, LSM es un director iónico pobre, y así que el electrochemically la reacción activa está limitada a la frontera de fase triple (TPB) dónde el electrólito, el aire y el electrodo conocen. LSM Trabaja bien como cátodo en temperaturas altas, pero su rendimiento deprisa las caídas como la temperatura operativa está bajada abajo 800 °C. Para aumentar la zona de reacción allende el TPB, un material de cátodo potencial tiene que ser capaz de conducir ambos electrones e iones de oxígeno. Composite Los cátodos que constan de LSM YSZ ha solido aumento esta longitud de frontera de fase triple. Mixto iónico/electrónico conduciendo (MIEC) cerámica, como perovskite LSCF, también está siendo investigado para uso en temperatura intermedia SOFCs cuando son más activos y puede hacer para el aumento en la energía de activación de la reacción.

Interconecta

El interconecta puede ser cualquiera una capa metálica o cerámica que sienta entre cada celda individual. Su propósito es para conectar cada celda en serie, de modo que la electricidad cada celda genera puede ser combinado. Porque el interconectar está expuesto a ambos el oxidizing y reduciendo lado de la celda en temperaturas altas, tenga que ser extremadamente estable. Por esta razón, la cerámica ha sido más exitosa en el plazo largo que metales cuando interconecta materiales. Aun así, estos cerámico interconectar los materiales son muy caros cuando comparados a metales. Níquel- y acero-basó las aleaciones están deviniendo más prometiendo temperatura tan más baja (600@–800 °C) SOFCs está desarrollado. El material de elección para un interconectar en contacto con Y8SZ es un metálico 95Cr-5Fe aleación. Cerámico-metal composites llamado 'cermet' es también debajo consideración, cuando han demostrado estabilidad térmica en temperaturas altas y conductividad eléctrica excelente.

Referencias

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