carbonato MTU

Oct 18, 2023

Células de combustível de óxido sólido (SOFCs) oferecem alta eficiência energética e flexibilidade de combustível, mas requerem altas temperaturas de operação. Embora a redução da temperatura operacional das SOFCs possa minimizar a degradação do material e permitir o uso de materiais mais baratos, as resistências do eletrólito e do eletrodo aumentam exponencialmente com a diminuição da temperatura operacional.

Agora, pesquisadores da Michigan Technological University demonstraram uma célula de combustível sólido superestruturada com carbonato (CSSFC) na qual a geração in situ de carbonato superestruturado na camada porosa de céria dopada com samário cria um eletrólito único com condutividade iônica ultra alta de 0,17 S⋅cm-1 a 550ºC. O CSSFC mostra densidade de potência aprimorada com combustíveis de hidrocarbonetos em temperaturas operacionais mais baixas. Um documento de acesso aberto sobre o trabalho aparece na Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

… SOFCs de baixa temperatura (LT-SOFCs) com combustíveis de hidrocarbonetos sofrem perdas de polarização causadas pela queda de temperatura e deposição de carbono (coqueamento). Isso acontece porque 1) a cinética de oxidação de hidrocarbonetos é extremamente lenta em temperaturas mais baixas devido às fortes ligações C-H e 2) a deposição de carbono desativa os eletrodos cobrindo os locais catalíticos.

… uma das principais estratégias para melhorar a oxidação de hidrocarbonetos e reduzir a coqueificação para LT-SOFCs é aumentar a condutividade iônica de oxigênio dos eletrólitos. … Existem duas estratégias convencionais para aumentar a condutividade iônica de oxigênio de eletrólitos em LT-SOFCs, ou seja, reduzir a espessura do eletrólito e desenvolver condutores iônicos rápidos. O filme ultrafino de eletrólito requer técnicas avançadas e inevitavelmente aumenta o custo e a complexidade da fabricação. Embora os óxidos de bismuto exibissem uma condutividade iônica de oxigênio impressionante devido às suas ricas lacunas de oxigênio, sua baixa estabilidade sob condições de operação SOFC dificultaria suas aplicações. Portanto, outras estratégias são necessárias para desenvolver condutores iônicos eficientes.

A equipe levantou a hipótese de que uma interface contínua entre o carbonato fundido e o condutor iônico sólido poderia constituir um canal de transferência rápida para íons de oxigênio - ou seja, tal superestrutura de carbonato no condutor iônico sólido seria um supercondutor iônico de oxigênio.

Para testar esta hipótese, fabricamos um dispositivo integrando um cátodo LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 (NCAL), um eletrólito poroso Ce0.8Sm0.2O1.9 (SDC) e um Ni-BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0. 1O3–δ (BZCYYb) usando um procedimento de prensagem a seco em uma etapa sem sinterização em alta temperatura neste trabalho. Os eletrodos e o eletrólito permanecem estruturas porosas e nanocristalinas no sistema. Em seguida, o carbonato fundido nas camadas porosas de NCAL e SDC é gerado in situ nas condições de operação da célula, criando a célula de combustível superestruturada de carbonato (CSSFC).

Além disso, o CSSFC exibiu condutividade iônica ultra-alta de 0,17 S⋅cm-1 a 550°C, levando a uma alta tensão de circuito aberto (OCV) sem precedentes e uma densidade de potência de pico (PPD) muito alta, bem como excelente resistência à coqueificação com seco combustível metano a 550°C.

(A) Esquema de SOFC convencional, SOFC porosa e CSSFC. (B) O desempenho IVP de diferentes configurações de células de combustível com Ni-BZCYYb como ânodos operados em CH4 a 550 °C. (C) O gráfico de Arrhenius dependente da temperatura de condutividades iônicas de oxigênio de diferentes eletrólitos com ou sem modificação de carbonato. (D) Gráficos DSC de diferentes eletrólitos em atmosfera de Ar. Su et al.

O autor correspondente, Yun Hang Hu, estima que a eficiência de combustível do CSSFC pode chegar a 60%. Em comparação, a eficiência média de combustível de um motor de combustão varia entre 35% e 30%. A maior eficiência de combustível do CSSFC pode levar a emissões de dióxido de carbono mais baixas nos veículos.

Recursos

Hanrui Su, Wei Zhang e Yun Hang Hu (2023) "Células de combustível sólidas superestruturadas de carbonato com combustíveis de hidrocarbonetos" PNAS doi: 10.1073/pnas.2208750119

Publicado em 09 de abril de 2023 em Células de combustível, Histórico de mercado, Estado sólido | Link permanente | Comentários (14)