Produktų aprašymas
Kietos oksido kuro elementai (SOFC) yra transformacinė technologija elektrocheminės energijos konversijoje. Skirtingai nuo įprastos degimo energijos gamybos, SOFC tiesiogiai paverčia cheminę energiją iš degalų, tokių kaip vandenilis ar metanas, į elektrą, turinčią didelį efektyvumą (60–85%) ir minimalios išmetimo. Jų pagrindinė architektūra priklauso nuo keramikos pagrindu sukurtų joninių laidininkų, leidžiančių veikti aukštesnėje temperatūroje (500–1000 laipsnių). Šiame straipsnyje nagrinėjama SOFC struktūrinė įvairovė, jų medžiagų mokslo fondai, gamybos technika ir besikeičiančios programos įvairiose pramonės šakose.
Vamzdiniai ir plokštuminiai SOFC: dizainas ir kompromisai
1. Vamzdiniai SOFC
„Siemens Westinghouse Power Corporation“ (SWPC) pradininkas vamzdiniai SOFC yra cilindrinės ląstelės su nuosekliais sluoksniais:
Katodų atraminis vamzdis: Porėta lantano stroncio manganito (LSM) ar panašios perovskito medžiagos, susidariusios per ekstruziją.
Elektrolitas: YTTRIA stabilizuotas cirkoniai (YSZ), nusėdęs per elektrocheminį garų nusėdimą (EVD), kad būtų užtikrintas dujų ir sunkumas.
Sujungimas: Lantano chromitas (lacro₃) arba metaliniai lydiniai (pvz., Crofer 22 APU), naudojami purškiant plazmoje.
Anodas: Nickel-ysz cermet, ekrano atspausdinta arba dengta srutai.
Privalumai:
Tvirtas mechaninis vientisumas: Cilindrinė geometrija sumažina šiluminį įtempį, įgalinantį greitą šiluminį ciklą.
Nėra aukštos temperatūros sandariklių: Degalų ir oro kanalai iš esmės yra atskirti, supaprastinantys kamino surinkimą.
Apribojimai:
Mažo galios tankis (~ 0. 2 W/cm²): Ilgi dabartiniai keliai padidina ominius nuostolius.
Didelės gamybos išlaidos: EVD ir plazmos purškimas yra daug energijos reikalaujantis ir reikalauja specializuotos įrangos.
Naujovės:
SWPC plokščio vamzdžio dizainas: Derinkite vamzdinį atsparumą su į plokštuminius panašius srovės kelius, padidindami galios tankį iki ~ 0. 35 W/cm².
Mikrotubuliniai SOFC: Pogrupių vamzdžiai (pvz.<10 minutes) and 1–5 kW outputs for portable power.
2. Planiniai SOFC
Planinės ląstelės priima plokščią, sluoksniuotą „teigiamą-elektrolitų neigiamą“ (PEN) struktūrą, siūlančią:
Didelio galios tankis ({{0}}. 5–1,0 w/cm²): Trumpi, vertikalios srovės keliai sumažina atsparumą.
Keičiama gamyba: Juostos liejimas, ekrano spausdinimas ir bendras bendravimas įgalina masinę gamybą.
Iššūkiai:
Šiluminio streso valdymas: Nesuderinami šiluminio išsiplėtimo koeficientai (TEC) tarp sluoksnių gali sukelti delaminaciją.
Sandarinimo sudėtingumas: Stiklo keramikos sandarikliai turi atlaikyti šiluminį ciklą, kol yra izoliuojant degalų/oro srautus.
Materialinės naujovės:
Elektrolitai: Skandijos stabilizuotas cirkonioidas (SCSZ), kad padidėtų joninis laidumas 750 laipsnių.
Sujungti: Feritiniai nerūdijantys plienai (pvz., „Crofer 22 ApU“) su apsauginėmis dangomis (pvz.
Struktūrinės atramos tipai: nuo elektrolito iki metalo
1. Elektrolitų palaikomos ląstelės
Kaip pirmosios kartos SOFC, šios ląstelės naudoja storus YSZ elektrolitus (100–200 μm) mechaniniam stabilumui, tačiau norint įveikti mažą joninį laidumą, reikia aukštos temperatūros (900–1000 laipsnių).
„Sulzer Hexis“ dizainas: Sujunkite elektrolitų atramą su radialiniu dujų srautu, pasiekdami 40% elektros energijos efektyvumą gyvenamosiose CHP sistemose.
„Bloom Energy“ ES -5700: Komercinis 200 kW krūva, veikianti 950 laipsnių laipsniu, pasinaudojant pigių kalcia stabilizuotų cirkonių.
Apribojimai:
Aukštas degradacijos greitis: Elektrolitų įtrūkimai dėl redokso dviračių.
Lėtas startas: Netinkamas mobiliesiems programoms.
2. Anodo palaikomos ląstelės
Perkėlus atraminį vaidmenį į storą Ni-ysz anodą (~ 1 mm), veikimo temperatūra sumažėja iki 700–800 laipsnių.
Julicho krūva: Pasiekia 0. 6 W/cm², esant 750 laipsnių, naudojant vakuuminę srutų dangą ploniems YSZ elektrolitams (5–10 μm).
Skilimo mechanizmai: Nikelio šiurpinimas ir apsinuodijimas siera sumažina ilgalaikį stabilumą.
Rinkos priėmimas:
Tokijo dujų fermas: 700 W gyvenamųjų patalpų sistema su 90% degalų panaudojimu.
GE hibridinės sistemos: Integrating SOFCs with gas turbines for >65% efektyvumas.
3. Katodo palaikomos ląstelės
Šios ląstelės teikia pirmenybę katodo mechaninei atramai, idealiai tinkančiai vamzdiniams konstrukcijoms.
SWPC segmentinis serijos dizainas: Gofo katodo vamzdžių sudėjimas pasiekia 50 kW išėjimus.
Materialiniai iššūkiai: Sr-ložės lamno₃ (LSM) katodai reaguoja su YSZ, viršijančiu 1200 laipsnių, todėl reikia Gadolinium leidžiamos Ceria (GDC) tarpsluoksnių.
4. Metalo palaikomos ląstelės (MSC)
Nerūdijančio plieno substratai įgalina greitą šiluminį ciklą (500–600 laipsnių) ir suderinamumą su automobilių pritaikymais.
DLR naujovės:
Difuzijos kliūtys: La {{0}}. 6sr 0. 2ca 0.
Atmosferos plazmos purškimas (APS): Indėliai tankūs elektrolitai sąlygomis po atviru dangumi, sumažina išlaidas 30%.
„Ceres Power's Steelcell ™“: 5 kW krūva, naudojant ferito plieno ir CGO elektrolitus, nukreiptas į 1 £, 000/kW gamybos išlaidas.
Paraiškos:
Automobilių APU: „Nissan“ SOFC varomas „E-NV200“ furgonas praplečia EV diapazoną 500 km.
Aviacijos ir kosmoso: DLR 3 kW APU, skirtas orlaivio pagalbinei galiai.
Gamybos technika: laboratorijos ir pramonės tilto
1.elektrocheminis garų nusėdimas (EVD):
Procesas: Metalo chloridų reagavimas (pvz., Zrcl₄) su garais, kad susidarytų tankios YSZ plėvelės.
Naudokite dėklą: SWPC vamzdinės ląstelės.
2.Tape liejimas ir bendravimas:
Žingsniai: Anodo/elektrolito/katodo sluoksnių liejimas kaip žalios juostos, laminuojančios ir šaudymo.
Pranašumas: Plokščiakalnių ląstelių didelio pralaidumo gamyba.
3.Plazmos purškimas:
Tipai: Vakuumas (VPS) tankioms dangoms; Atmosferos (APS) išlaidoms jautrioms reikmėms.
4.WET-cheminiai metodai:
DIP danga: Šanchajaus keramikos institutas LSM katodai.
Elektroforetinis nusėdimas (EPD): „Ceres Power“ CGO elektrolitai.
Našumo metrika ir iššūkiai
Galios tankis: Svyruoja nuo 0. 2 w/cm² (vamzdinis) iki 1,2 W/cm² (pažengęs plokščias).
Skilimo greitis: <1%/1,000 hours for metal-supported cells vs. 2–5%/1,000 hours for anode-supported designs.
Tikslai visą gyvenimą: 40, 000 valandos stacionarioms sistemoms; 10, 000 automobilių APU ciklai.
Pagrindiniai iššūkiai:
1. materialinis suderinamumas: Lengvinančios sąsajos reakcijos (pvz., Ni-ysz/plieno interdifuzija).
2.Cost redukcija: Retųjų žemių medžiagų mastelio keitimas (pvz., Skandija, Gadolinium).
3.Sistemos integracija: Degalų reformatorių, šilumokaičių ir galios elektronikos balansavimas.
Ateities kryptys ir kylančios technologijos
1. LOW-Temperature SOFC (LT-SOFC):
Tikslas: Veikite žemiau 600 laipsnių, naudodamiesi protonų laidžiamais elektrolitais (pvz., Bazr₀.₈y₀.₂o₃).
Nauda: Suderinamumas su nerūdijančio plieno komponentais ir greitesnis paleidimas.
2.3d atspausdinti SOFC:
Pranašumas: Pritaikomos geometrijos, skirtos optimizuotam dujų srautui ir dabartiniam surinkimui.
Pavyzdys: ORNL priedų gaminamos rašiklio konstrukcijos.
3.Nanostruktūrizuotos medžiagos:
Nanopluošto elektrodai: Aukštesnis paviršiaus plotas padidintam kataliziniam aktyvumui.
Atominio sluoksnio nusėdimas (ALD): Ypač plonos, be defektų elektrolitų plėvelės.
4.Hibridinės sistemos:
SOFC-dujų turbina: Achieving >70% megavatų masto augalų efektyvumas.
SOFC-Battery: Hibridizavimas su lidu, siekiant stabilumo.
Išvada
SOFC technologijos yra materialių naujovių ir pramoninio mastelio sankryžoje. Nors vamzdiniai dizainai yra „Excel“ patvarumo, o plokštuminėse ląstelėse dominuoja didelės galios naudojimai, metalo palaikomi variantai atrakina naujas mobilumo ir decentralizacijos sienas. Pažanga gamybos srityje nuo plazmos, purškiamos iki 3D spausdinimo, mažina išlaidas, o nanomedžiagos ir hibridinės sistemos žada precedento neturintį efektyvumą. Kai pasaulinės energetikos sistemos pereina prie dekarbonizacijos, SOFC yra pasirengę atlikti pagrindinį vaidmenį įgyvendinant atotrūkį tarp atsinaujinančio su pertraukos ir patikimo energijos tiekimo.
Nuorodos:
Kendall, K.Mikrotubuliniai SOFC: nuo koncepcijos iki komercializacijos. Elsevier, 2015 m.
Wachsmanas, redKietos oksido kuro elementai: medžiagų savybės ir našumas. CRC Press, 2016.
Blum, L.Metale palaikomi SOFC: pažanga ir iššūkiai. Žurnalas „Power Sources“, 2021.
Pramonės ataskaitos iš „Bloom Energy“, „Ceres Power“ ir „Siemens Energy“.