MTU 탄산염

Oct 18, 2023

고체산화물 연료전지(SOFC)는 높은 에너지 효율과 연료 유연성을 제공하지만 높은 작동 온도가 필요합니다. SOFC의 작동 온도를 낮추면 재료 열화를 최소화하고 저렴한 재료를 사용할 수 있지만 작동 온도가 낮아지면 전해질과 전극 저항이 기하급수적으로 증가합니다.

이제 미시간 공과 대학(Michigan Technological University)의 연구원들은 다공성 사마륨 도핑 세리아 층에서 상부 구조 탄산염의 현장 생성이 0.17 S⋅cm−1의 초고 이온 전도도를 갖는 독특한 전해질을 생성하는 탄산염 상부 구조 고체 연료 전지(CSSFC)를 시연했습니다. 550 °C에서. CSSFC는 더 낮은 작동 온도에서 탄화수소 연료를 사용하여 향상된 출력 밀도를 보여줍니다. 해당 작업에 대한 공개 액세스 논문은 PNAS(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 게재되어 있습니다.

… 탄화수소 연료를 사용하는 저온 SOFC(LT-SOFC)는 온도 강하 및 탄소 침적(코킹)으로 인한 분극 손실을 겪습니다. 이는 1) 강한 C-H 결합으로 인해 낮은 온도에서 탄화수소 산화 속도가 매우 느리고 2) 탄소 증착이 촉매 부위를 덮어 전극을 비활성화하기 때문에 발생합니다.

… LT-SOFC의 탄화수소 산화를 개선하고 코킹을 줄이기 위한 핵심 전략 중 하나는 전해질의 산소 이온 전도도를 높이는 것입니다. … LT-SOFC에서 전해질의 산소 이온 전도도를 향상시키는 두 가지 기존 전략, 즉 전해질 두께를 줄이고 빠른 이온 전도체를 개발하는 전략이 있습니다. 초박형 전해질 필름은 첨단 기술이 필요하며 필연적으로 제조 비용과 복잡성이 증가합니다. 비스무트 산화물은 풍부한 산소 결손으로 인해 인상적인 산소 이온 전도도를 나타냈지만 SOFC 작동 조건에서 안정성이 좋지 않아 응용이 방해받을 수 있습니다. 따라서 효율적인 이온 전도체를 개발하려면 다른 전략이 필요합니다.

연구팀은 용융 탄산염과 고체 이온 전도체 사이의 연속적인 경계면이 산소 이온의 빠른 전달 채널을 구성할 수 있다는 가설을 세웠습니다. 즉, 고체 이온 전도체의 탄산염 상부 구조는 산소 이온 초전도체가 될 것입니다.

이 가설을 테스트하기 위해 우리는 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCAL) 음극, 다공성 Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC) 전해질 및 Ni-BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0를 통합하여 장치를 제작했습니다. 이 연구에서는 고온 소결 없이 1단계 건식 압착 절차를 사용하는 1O3–δ(BZCYYb) 양극. 전극과 전해질은 시스템에서 다공성 나노결정질 구조로 유지됩니다. 그런 다음 다공성 NCAL 및 SDC 층의 용융 탄산염이 전지 작동 조건에서 현장에서 생성되어 탄산염 상부구조 연료전지(CSSFC)가 생성됩니다.

또한, CSSFC는 550°C에서 0.17 S⋅cm−1의 초고이온 전도도를 나타내어 전례 없는 높은 개방 회로 전압(OCV)과 매우 높은 피크 전력 밀도(PPD)를 나타냈을 뿐만 아니라 건조 환경에서도 우수한 코킹 저항성을 나타냈습니다. 550°C의 메탄 연료.

(A)기존 SOFC, 다공성 SOFC 및 CSSFC의 개략도. (B) 550°C에서 CH4에서 작동하는 양극으로 Ni-BZCYYb를 사용하는 다양한 연료 전지 구성의 IVP 성능. (C) 탄산염 변형 유무에 관계없이 다양한 전해질의 산소 이온 전도도에 대한 온도 의존적 ​​Arrhenius 플롯. (D) Ar 분위기에서 다양한 전해질의 DSC 플롯. Suet al.

교신저자인 윤항후 씨는 CSSFC 연료효율이 60%에 이를 수 있다고 추정했다. 이에 비해 연소 엔진의 평균 연료 효율은 35%에서 30% 사이입니다. CSSFC의 더 높은 연료 효율성은 차량의 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있습니다.

자원

Hanrui Su, Wei Zhang 및 Yun Hang Hu (2023) "탄화수소 연료를 사용하는 탄산염 상부 구조 고체 연료 전지" PNAS doi: 10.1073/pnas.2208750119

2023년 4월 9일에 게시됨: 연료 전지, 시장 배경, 고체 | 고유링크 | 댓글 (14)