Carbonate de MTU

Oct 18, 2023

Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) offrent une efficacité énergétique élevée et une grande flexibilité de combustible, mais nécessitent des températures de fonctionnement élevées. Bien que l'abaissement de la température de fonctionnement des SOFC puisse minimiser la dégradation des matériaux et permettre l'utilisation de matériaux moins coûteux, les résistances de l'électrolyte et des électrodes augmentent de façon exponentielle avec la diminution de la température de fonctionnement.

Maintenant, des chercheurs de la Michigan Technological University ont démontré une pile à combustible solide superstructurée en carbonate (CSSFC) dans laquelle la génération in situ de carbonate superstructuré dans la couche poreuse de cérium dopée au samarium crée un électrolyte unique avec une conductivité ionique ultra élevée de 0,17 S⋅cm−1 à 550 °C. Le CSSFC montre une densité de puissance améliorée avec des carburants à base d'hydrocarbures à des températures de fonctionnement plus basses. Un article en libre accès sur le travail apparaît dans Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS).

… les SOFC à basse température (LT-SOFC) avec des carburants hydrocarbonés souffrent de pertes de polarisation causées par la chute de température et le dépôt de carbone (cokéfaction). Cela se produit parce que 1) la cinétique d'oxydation des hydrocarbures est extrêmement lente à des températures plus basses en raison des fortes liaisons C – H et 2) le dépôt de carbone désactive les électrodes en recouvrant les sites catalytiques.

… l'une des stratégies clés pour améliorer l'oxydation des hydrocarbures et réduire la cokéfaction des LT-SOFC consiste à augmenter la conductivité ionique de l'oxygène des électrolytes. … Il existe deux stratégies conventionnelles pour améliorer la conductivité ionique de l'oxygène des électrolytes dans les LT-SOFC, à savoir la réduction de l'épaisseur de l'électrolyte et le développement de conducteurs ioniques rapides. Le film d'électrolyte ultrafin nécessite des techniques avancées et augmente inévitablement le coût et la complexité de fabrication. Bien que les oxydes de bismuth aient présenté une conductivité ionique d'oxygène impressionnante en raison de leurs riches lacunes en oxygène, leur faible stabilité dans les conditions de fonctionnement des SOFC entraverait leurs applications. Par conséquent, d'autres stratégies sont nécessaires pour développer des conducteurs ioniques efficaces.

L'équipe a émis l'hypothèse qu'une interface continue entre le carbonate fondu et le conducteur ionique solide pourrait constituer un canal de transfert rapide pour les ions oxygène, c'est-à-dire qu'une telle superstructure de carbonate sur conducteur ionique solide serait un supraconducteur ionique oxygène.

Pour tester cette hypothèse, nous avons fabriqué un dispositif en intégrant une cathode LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 (NCAL), un électrolyte poreux Ce0.8Sm0.2O1.9 (SDC) et un Ni-BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0. Anode 1O3 – δ (BZCYYb) utilisant une procédure de pressage à sec en une étape sans frittage à haute température dans ce travail. Les électrodes et l'électrolyte restent des structures poreuses et nanocristallines dans le système. Ensuite, le carbonate fondu dans les couches poreuses NCAL et SDC est généré in situ dans les conditions de fonctionnement de la cellule, créant la pile à combustible à superstructure carbonatée (CSSFC).

De plus, le CSSFC présentait une conductivité ionique ultra-élevée de 0,17 S⋅cm−1 à 550°C, conduisant à une tension de circuit ouvert (OCV) élevée sans précédent et à une densité de puissance de crête (PPD) très élevée ainsi qu'à une excellente résistance à la cokéfaction avec des particules sèches. combustible méthane à 550°C.

(A) Schéma de la SOFC conventionnelle, de la SOFC poreuse et de la CSSFC. (B) Les performances IVP de différentes configurations de piles à combustible avec Ni-BZCYYb comme anodes fonctionnant sur CH4 à 550 ° C. (C) Le tracé d'Arrhenius dépendant de la température des conductivités ioniques d'oxygène de différents électrolytes avec ou sans modification de carbonate. (D) Parcelles DSC de différents électrolytes dans l'atmosphère Ar. Su et al.

L'auteur correspondant Yun Hang Hu estime que l'efficacité énergétique du CSSFC pourrait atteindre 60 %. En comparaison, le rendement énergétique moyen d'un moteur à combustion oscille entre 35 % et 30 %. L'efficacité énergétique plus élevée du CSSFC pourrait entraîner une réduction des émissions de dioxyde de carbone dans les véhicules.

Ressources

Hanrui Su, Wei Zhang et Yun Hang Hu (2023) "Piles à combustible solide à superstructure carbonatée avec combustibles hydrocarbonés" PNAS doi : 10.1073/pnas.2208750119

Publié le 09 avril 2023 dans Contexte du marché, Piles à combustible, Solid-state | Lien permanent | Commentaires (14)