Baterii cu oxid solid
Celulele de combustibil cu oxid solid ( SOFC ) sunt dispozitive electrochimice care produc energie electrică direct din combustibil . Celulele cu combustibil se caracterizează prin electrolitul utilizat; SOFC utilizează un electrolit de oxid solid (de obicei zirconia dopată cu oxid de itriu , material ceramic). Acest tip de celule funcționează la o temperatură mult mai mare decât cele polimerice .
În aceste celule, ionii de oxigen sunt transferați printr-un material electrolit solid (un oxid ) la o temperatură ridicată pentru a reacționa cu hidrogenul de pe anod .
Introducere
Bateriile SOFC sunt utilizate în principal pentru aplicații staționare, cu randamente între 100 W și 2 MW. În general, acestea funcționează între 700 și 1.000 ° C, iar gazele lor reziduale pot fi utilizate pentru a alimenta o turbină cu gaz , având ca efect creșterea eficienței energetice a instalației. În aceste sisteme hibride, numite dispozitive CHP ( căldură și energie combinate ) sau instalații de cogenerare , eficiența poate atinge vârfuri de 90%.
Având în vedere temperatura ridicată de funcționare, celulele SOFC nu au nevoie de un catalizator scump, cum este cazul celulelor cu membrană de schimb de protoni (PEM) (care utilizează platină ) sau alte celule cu temperatură scăzută. Acest lucru aduce avantajul absenței procesului de otrăvire catalitică din cauza monoxidului de carbon și, prin urmare, face ca dispozitivul să fie extrem de flexibil în alegerea combustibilului utilizat. Bateriile SOFC au folosit până acum combustibili precum metanul , propanul , butanul , gazul de fermentare , gazul din biomasă . Înainte de a fi folosiți, însă, combustibilii trebuie să fie lipsiți de compuși de sulf , operație care se poate face cu ușurință cu un pat de cărbune activ sau zinc absorbant.
Datorită coeficientului de expansiune termică a materialului ceramic, încălzirea trebuie să fie uniformă și treptată. De obicei durează opt ore sau mai mult. Utilizarea materialului de geometrie microtubulară promite o fază mai rapidă de pornire (în ordinea minutelor) [1] .
Spre deosebire de alte tipuri de celule de ardere, celulele SOFC pot avea geometrii diferite pe lângă cea plană. Forma plană este geometria tipică tip sandwich a celorlalte baterii, în care electrolitul este alternat cu electrozii . SOFC-urile pot fi, de asemenea, construite sub formă tubulară , în care aerul sau combustibilul curge în și în afara. Acest design este mai simplu decât forma plană și este mai eficient la separarea aerului de combustibil în sine. Eficiența formei plane, pe de altă parte, este mai mare datorită rezistenței aerodinamice mai mici. Alte geometrii sunt geometria plană modificată (MPC sau MP-SOFC) cu structură de undă. Această geometrie este foarte promițătoare deoarece combină avantajele planare (rezistență scăzută) cu avantajele tubulare (separarea fluidelor) [1] .
Operațiune
O grămadă este alcătuită din patru straturi, dintre care trei sunt realizate din material ceramic. Fiecare strat unic are o grosime cuprinsă între câțiva micrometri și câțiva milimetri. Sute din aceste stive de bază sunt conectate în serie pentru a forma ceea ce se numește stivă SOFC sau stivă SOFC . Materialele utilizate devin active (electric și ionic) numai la temperaturi ridicate, astfel încât bateria trebuie încălzită între 700 și 1200 ° C.
Anod
Stratul care constituie anodul celulei trebuie să fie foarte poros pentru a permite trecerea reactivului (lichid sau gazos) de la anod la TPB ( limita trifazică , zona de contact între electrolit solid, electrod și reactiv). La fel ca catodul, este în mod natural conductiv . Cel mai obișnuit material este un cermet (metal-ceramic) realizat din nichel pe o bază ceramică (la fel ca electrolitul celulei). Acesta este de obicei cel mai puternic și mai gros strat din sandvișul fiecărei stive individuale și oferă suport mecanic pentru celelalte straturi (denumit în acest caz o celulă anodică de susținere) . Din punct de vedere electrochimic, sarcina anodului este de a permite ionilor de oxigen să oxideze hidrogenul conținut în combustibil. Reacția de oxidare-reducere dintre oxigen și hidrogen produce apă și electroni (ergo electricitate )
Electrolit
Stratul electrolitic este un strat ceramic dens care permite schimbul de ioni de oxigen fără a lăsa gazul să treacă. De asemenea, trebuie să aibă o rezistență electrică ridicată pentru a forța electronii să lucreze pe circuitul extern. Zirconia stabilizată (numită zirconia ) și oxidul de ceriu dopat (numit ceria ) sunt utilizate în mod obișnuit.
Catod
Catodul, sau electrod gazos, este un strat poros subțire pe care se reduce oxigenul. Reacția din notația Kröger-Vink este scrisă:
Materialul catodic este un conductor. Din punct de vedere comercial, manganitul de lantan și stronțiu (numit LSM) este utilizat datorită compatibilității sale cu stratul de zirconiu . Deoarece LSM este un conductor ionic slab, reacția este limitată la marginea triple faza (TPB, tripla fază de delimitare) , unde se intalnesc electrolitul, aerul și electrodul. LSM funcționează bine ca un catod la temperaturi foarte ridicate și foarte prost la temperaturi de funcționare sub 800 ° C. Pentru a crește faza reactivă dincolo de TPB, un material catodic trebuie să poată conduce atât electroni cât și ioni. Sunt studiate materialele ceramice, denumite MIEC (ceramică mixtă ionică / electronică ), cum ar fi perovskitul ) cu caracteristici mai bune la temperaturi intermediare (deși cu energii de activare mai mari ale reacției).
Substrat de conectare
Stratul de legătură sau placa bipolară poate fi metalică sau ceramică. Funcția sa este de a conecta electric celulele în serie. Având în vedere expunerea sa atât la partea oxidativă, cât și la partea reductivă a reacției și la temperaturi ridicate, trebuie să fie extrem de stabilă . Pe termen lung, ceramica s-a dovedit a rezista mai bine (deși mult mai scumpă decât un strat metalic). Din fericire, materialele metalice pot fi utilizate în noile celule SOFC în curs de dezvoltare, cu temperatură scăzută (600-800 ° C).
Cercetare
Cercetarea trece la baterii SOFC cu temperatură scăzută (500-600 ° C), ceea ce ar permite utilizarea materialelor metalice cu caracteristici de conductivitate mecanică și termică mai bune, reducând, de asemenea, costul acestora.
Un alt domeniu de studiu este reducerea timpului de pornire pentru utilizarea bateriilor SOFC în aplicații mobile (auto). De fapt, datorită varietății de combustibili utilizabili, aceștia ar putea fi folosiți în motoare diesel modificate sau ca unități de putere auxiliare interesante (APU) în transportul frigorific.
În special, companiile auto BMW și Delphi Automotive Systems dezvoltă un SOFC ca APU pentru mașini. Un SOFC la temperatură ridicată ar putea produce toată energia electrică necesară pentru a avea motoare mai mici și mai eficiente. Bateria se poate potrivi pe același motor diesel ca și mașina și poate produce suficientă energie pentru a alimenta aerul condiționat (și alte sisteme electrice) atunci când motorul nu funcționează.
Rolls-Royce Fuel Cell Systems Ltd este angajată în prezent în dezvoltarea unui sistem hibrid cu stivă SOFC și turbină cu gaz natural cu putere de megawatt produsă prin tehnologia serigrafiei folosind materiale ceramice ieftine [2] .
Un SOFC de temperatură scăzută (500-600 ° C) a fost produs de Ceres power Ltd prin angajarea oxidului de ceriu gadoliniu (CGO), zirconiului stabilizat dopat cu itriu (YSZ) și conexiunii din oțel inoxidabil [3] .
Studiile asupra celulelor de ardere devin din ce în ce mai populare în institutele de cercetare. HITEC (Centrul pentru Electrochimie la Temperatură Înaltă) al Universității din Florida din Gainesville , condus de dr. ED Wachsman, este angajat în studiul transportului de ioni, al fenomenului catalitic și al caracterizării microstructurale a materialelor conductoare ionic.
IT-SOFC
Bateriile SOFC care funcționează la temperatura medie, între 600 și 800 ° C, se numesc IT-SOFC (sau ITSOFC ). În general, sunt mai bune decât SOFC-urile datorită degradării rapide a materialelor care are loc la temperaturi peste 900 ° C, precum și fiind mai ieftine. Cercetarea este în prezent mai activă pe acest tip de baterie, iar accentul se pune adesea pe materialul catodic. De fapt, se crede că reacția de oxigen este responsabilă pentru pierderea eficienței. Prin urmare, activitatea catalizatorului face obiectul studiului cu diverse metodologii, inclusiv impregnarea catalizatorului .
Notă
- ^ a b Sharke, Paul. Libertatea de alegere , inginerie mecanică , volumul 126, nr.10, p. 33 (2004)
- ^ Celule de combustibil cu oxid solid Rolls-Royce depuse la 6 octombrie 2007 în Arhiva Internet ., 2 februarie 2006
- ^ Ceres Power Ltd. 1 septembrie 2006
Elemente conexe
linkuri externe
- Articol Azom.com despre SOFC , pe azom.com (arhivat din original la 7 martie 2008) .
- Materials & Systems Research, Inc. (MSRI) SOFC, dezvoltarea tehnologiei bateriei , la msrihome.com . Adus la 3 februarie 2008 (arhivat din original la 16 februarie 2007) .
- Introducerea CSA pe SOFC , pe csa.com .
- Studiile Departamentului de Energie al SUA ale SOFC , la fossil.energy.gov .
- Illinois Institute of Technology, articol despre SOFC , pe iit.edu . Adus la 3 februarie 2008 (arhivat din original la 18 februarie 2008) .
- Prototech Energy , în prototech.no . Adus pe 3 martie (arhivat din original la 6 martie 2008) .
- Siemens SFC-200 , la www.powergeneration.siemens.com . Adus pe 2 iunie (arhivat din original la 1 noiembrie 2006) .
- Celulele de combustibil mai puternice se apropie de piață - un pas semnificativ în practicarea pilelor de combustibil la temperatură înaltă.
- HITEC (Centru de Electro-Chimie la Înaltă Temperatură)
- Solid Cell Inc. - dezvoltator SOFC
- Izolație vitroceramică SOFC , pe glassproperties.com .
| Controlul autorității | BNE ( ES ) XX552234 (data) |
|---|
