Изобретен новый тип топливного элемента

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) обеспечивают высокую энергоэффективность энергоресурса, но требуют высоких рабочих температур. Хотя снижение рабочей температуры ТОТЭ может свести к минимуму разрушение материала и позволить использовать менее дорогие материалы, сопротивление как электролита, так и электродов экспоненциально возрастает при снижении рабочей температуры.

Твердотопливный элемент с карбонатной структурой(CSSFC), в котором образование надстроенного карбоната в пористом слое церия, легированном самарием, создает уникальный электролит со сверхвысокой ионной проводимостью 0,17 С/см−1 при 550 °C. CSSFC демонстрирует повышенную удельную мощность на углеводородном топливе при более низких рабочих температурах.

низкотемпературные ТОТЭ (LT-ТОТЭ) с углеводородным топливом страдают от потерь поляризации, вызванных перепадом температуры и отложением углерода (коксованием). Это происходит потому, что 1) кинетика окисления углеводородов чрезвычайно медленная при более низких температурах из–за прочных связей C-H и 2) отложение углерода дезактивирует электроды, покрывая каталитические центры. ... одной из ключевых стратегий улучшения окисления углеводородов и снижения коксования для LT-ТОТЭ является увеличение ионной проводимости электролитов по кислороду. … Существуют две традиционные стратегии повышения кислородно-ионной проводимости электролитов в LT-ТОТЭ, а именно уменьшение толщины электролита и создание быстродействующих ионных проводников. Ультратонкая пленка электролита требует передовых технологий и неизбежно увеличивает стоимость и сложность изготовления. Хотя оксиды висмута обладают впечатляющей ионной проводимостью по кислороду из-за наличия в них богатых кислородных вакансий, их низкая стабильность в условиях эксплуатации ТОТЭ затруднит их применение. Поэтому для разработки эффективных ионных проводников требуются другие стратегии.

Гипотеза, что непрерывная граница раздела между расплавленным карбонатом и твердым ионным проводником могла бы образовывать канал быстрой передачи ионов кислорода — т.е. такая карбонатная надстройка на твердом ионном проводнике была бы кислородно-ионным сверхпроводником.

Чтобы проверить эту гипотезу, изготовили устройство, объединив катод LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 (NCAL), пористый электролит Ce0.8Sm0.2O1.9 (SDC) и анод Ni-BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3–δ (BZCYYb), используя одношаговую процедуру сухого прессования без высокотемпературного спекания в данной работе. Электроды и электролит остаются пористыми и нанокристаллическими структурами в системе. Затем расплавленный карбонат в пористых слоях NCAL и SDC образуется in situ в рабочих условиях элемента, создавая топливный элемент с карбонатной структурой (CSSFC).

Кроме того, CSSFC продемонстрировал сверхвысокую ионную проводимость 0,17 С/см−1 при 550°C, что привело к беспрецедентно высокому напряжению холостого хода (OCV) и очень высокой пиковой плотности мощности (PPD), а также превосходной стойкости к коксованию при использовании сухого метанового топлива при 550°C.

(А) Схема обычного ТОТЭ, пористого ТОТЭ и CSSFC. (Б) Характеристики I-V-P различных конфигураций топливных элементов с Ni-BZCYYb в качестве анодов, работающих на СН4 при 550°C. (C) Зависящий от температуры график Аррениуса ионной проводимости кислорода различных электролитов с карбонатной модификацией или без нее. (D) Графики DSC различных электролитов в атмосфере Ar. Su и др.

Оценивается, что эффективность использования топлива CSSFC может достигать 60%. Для сравнения, средняя эффективность использования топлива двигателя внутреннего сгорания колеблется от 35% до 30%. Более высокая эффективность использования топлива CSSFC может привести к снижению выбросов углекислого газа в транспортных средствах.