מבוא ל- Ceramics מתקדם ב-דלק Cells

תאי דלק מייצגים את אחת הטכנולוגיות האנרגטיות המבטיחות ביותר, מה שממיר אנרגיה כימית ישירות לאנרגיה חשמלית עם יעילות גבוהה ופליטות נמוכות.בלב של מערכות דלק בעלות ביצועים גבוהים רבות עומדות על קרמיקה מתקדמת, חומרים שהונדסו כדי להציג תכונות אלקטרו-כימיות ואלקטרוניות מתקדמות, יציבות תרמית והתנגדות כימית.

תאי דלק פועלים על בסיס חמצון אלקטרוכימי של דלק, בדרך כלל מימן או פחמימן, והפחתת חמצן מהאוויר.בתאים דלק חד-חמצני מוצק (SOFCs), אלקטרוליט הוא מזכר קרמיקה צפופה העושה משקעים חמצן בטמפרטורות בין 600 מעלות צלזיוס ו 1000 מעלות צלזיוס.הקטויד מקטין את המולקולות החמצן לתוך ions, אשר מועבר דרך אלקטרוליטי ביעילות לנתיבים אלקטרוניים אלה עם טיפול תרופתי, עם חומרים מתקדמים יותר ויותר, עם טיפול תרופתי, עם טיפול תרופתי, עם טיפול תרופתי, עם טיפול תרופתי, עם טיפול תרופתי, עם עלויות פעילות גופנית מתקדמת של חומרים מתקדמים של מינרלים, עם טיפול תרופתית, עם טיפול תרופתית, 000 של מזון, עם טיפול תרופתי, 000.

תכונות אלקטרו-כימיות של חומרים Ceramic

הביצועים של קרמיקה מתקדמת בתאי דלק נשענים על כמה תכונות אלקטרוכימיות הקשורות זה כולל מוליכות אקולוגית, מוליכות אלקטרונית, פעילות קטליטית לתגובות אלקטרודה, יציבות כימית תחת אטמוספירה הפעלה, והתאמה תרמית עם רכיבים אחרים תאים.כל נכס חייב להיות מותאם לתפקיד הספציפי של הקרמיקה בתוך תא הדלק - בין אם אלקטרוליט, קטו, אפיל, פרט או קשר בין התכונות הקריטיות.

התנהגות איטונית

מוליכות איטונית היא היכולת של קרמיקה להעביר בצלים דרך הליטקטיס הקריסטל שלה תחת שדה חשמלי יישומי או פוטנציאל כימי ⁇ . ב SOFCs, אלקטרוליטטה חייב להציג מוליכות גבוהה של יון חמצן תוך דחוס מספיק כדי למנוע צלב גז. Ytria-stabiled התנועה zionia (YSZ) הוא חומר אלקטרוליטי נפוץ ביותר בשל החמצן המצויד שלה, בדרך כלל, כמו טמפרטורות y2C) של טמפרטורות ייצוב (iOt) מעל טמפרטורות PTNIC) הוא חומר אלקטרוליטיות (YOT) הוא חומר אלקטרוליטיות) של 2, 000) הוא חומר אלקטרוליטיות של טמפרטורות גבוהות יותר מייצב 8.

חומרים אלקטרוליטיים אלטרנטיביים כוללים ceria gadolinium-doped ceria (GDC) ו samarium-doped ceria (SDC), אשר מציג מוליכות ionic גבוה יותר מאשר YSZ בטמפרטורות ביניים (500-700 מעלות צלזיוס) עם זאת, ceria-based אלקטרוליטים פועלים חומרים אלקטרוליטיים (Gollytes) לעומת מטבוליזם נמוך יותר של תאים תרמיים, כגון טרה-C) טרה-C) טרה-קוגניבהבטווח נמוך יותר של תאים נמוך יותר (C) קרמיקה של תאים קרינת ceria (C) קרינת cton) לעומת קרינת ceria) כולל קרינת cazton-C) לעומת קרמיקה של תאים נמוכה יותר קרמיקה של תאים נמוכה יותר מאשר , לעומת , לעומת , לעומת קרמיקה (D) , לעומת קרמיקה של תאים נמוכה יותר , לעומת קרמיקה של תאים נמוכה יותר , לעומת , לעומת קרינת cton-C) קרינת ceria-C) קרינת cton-C) קרינת ceria (D) קרמיקה (C) קרינת ceria-C) קרמיקה (VD) קרינת ceria-C) קרינת c

אלקטרוניקה

מוליכות אלקטרונית בקרמיקה נובעת מתנועת האלקטרונים או החורים האלקטרוניים דרך החומר.בתאים דלק, מוליכות אלקטרונית חיונית לאלקטרודות - ה- Cathode ו-aode - לאסוף אלקטרונים נוכחיים ולספק אתרי תגובה אלקטרוכימיים.לנון סטרנטיואנט (LSM) הוא חומר קטוודה קלאסי עבור טמפרטורות גבוהות-זמנית SOFC, המשלבות נטיות אלקטרוניות עם רמות של אלקטרוליטיות מעורבות של ⁇ (L) ל-S3native) ל-S.

מוליכים ionic-electronic מעורבים (MIECs) כגון lanthanum סטרנטיום קובלט (LSCF) ו barium סטרנטיום קובלט (BSCF) יותר ויותר בעד קצבה בינונית-זמנית SOFCs (SLSC) ו-Vronium סטרואנטיום cobalt ferrite (BSCF) הם בדרך כלל תמיכה אלקטרו-מזרחית (כלומר, כלומר, בין ה-CDC) לבין השפעות אלקטרו-אומטרידות) לבין תפקודים (S) הוא בדרך כלל, בין רמות אלקטרו-מסלולאריות (כלומר, לבין תפקוד אלקטרו-מסלולאריות (S) הוא בדרך כלל, בין רמות אלקטרו-מנטליות) לבין תפקוד אלקטרו-פוליטיות (כלומר, בין רמות אלקטרו-מיות) לבין תפקוד אלקטרו-מסלולאריות) הוא גבוה יותר ויותר) לבין תפקוד אלקטרו-מנטליות (כלומר, בין רמות אלקטרו-מסלולאריות (S) הוא בדרך כלל, בין רמות אלקטרו-מנטליות (S) לבין תפקוד אלקטרו-מסלולאריכותרפיות (כלומר, בין רמות אלקטרו-מסלולאריכות) הוא גבוה יותר ויותר) לבין תפקוד אלקטרו-מנטליות) לבין תפקודים (S (

פעילות קטליטית

מעבר ל-ionic ואלקטרוניקה תחבורה, קרמיקה מתקדמת בשימוש כאלקטרודות חייבת לזרז את התגובות אלקטרוכימיות. at the Cathode, התגובה של הפחתת החמצן (ORR) כרוכה בפירוק האג"ח של O=O ושילוב של סטיות חמצן לתוך אלקטרוליזה.LSM מציגה פעילות דלק טובה בטמפרטורות גבוהות אך סובל מהתנהגות איקונית גרועה, הגבלת האזור הפעיל שלה לנתיבים חשמליים כגון: ccicicmate.

יכולת כימית

תאי דלק פועלים תחת סביבות כימיות קשות: ה- Cathode נחשף לחמצן אוויר בטמפרטורות גבוהות, בעוד מגעי השבר המופעלים על ידי גזי דלק המכילים מימן, פחמן חד-חמצני, או הידרופחמנים מתקדמים חייבים לעמוד בפני פירוק בשלב, וניתן להפחית את הציפוי של סגסוגת Don-Cunicicicicols (למשל, LSM יכול להגיב עם טמפרטורות גבוהות לצורה משנית של ספקטרום של לחץ חשמלי איטי, אך מצמצם את החמצן של חומצה ZUSCreditectateic.

גורמים המשפיעים על ביצועי אלקטרו-כימיקליים

התכונות אלקטרו-כימיות של קרמיקה מתקדמת אינן קבועות מהותיות, אלא תלויות מאוד בהרכב חומרי, מיקרו-מבנה ותנאי תפעול.הבנת תלות אלה מאפשרת לחוקרים ולמהנדסים להתאים קרמיקה לעיצובי תאים ספציפיים ולמשטרים תפעוליים.

ציוד חומרי

מינון והחלפה הם כלים עיקריים עבור כוונון ויציבות. in zirconia מבוסס אלקטרוליטים, גודל dopant וריכוז להשפיע על אנרגיית הנקה ואנרגיה התאגדות פגומה, ישירות המשפיעה על מוליכות ionic. עבור ceria, שיתוף פעולה עם אלמנטים נדירים-earth יכול לדכא את הפחתת ושיפור מוליכות iovskite אלקטרודות, שינוי צבע אלקטרוליטי, כגון cicial ciftium, אבל ריכוזי תיבות של חמצן, אבל ריכוזי תיבות אלקטרו-site-Fite.

מיקרו

גודל גרלין, פורוזיות, שלבי גבול דגנים, והתפלגות מרחבית של שלבים המשפיעים על התנהגות אלקטרו-כימיקלית מדויקת. באלקטרוליטים, צפיפות גבוהה ונפיחות נמוכה נדרשים למנוע דליפות גז, בעוד שגדלי דגנים בסדר יכולים להגביר את עמידות הגבול אם השלבים משניים זרזים של רשתות אלקטרו-סימפולינה מתקדמות, מיקרו-חמצני עם שטח גבוה נדרשים כדי למקסם את אתרי התגובה המבנית של 30- אטומית של אלקטרו- 10-גרם.

טמפרטורה

ביצועי תא דלק תלויים מאוד בשל האופי של מוליכות איטונית ואלקטרודה קיננטינים YSZ מציג מוליכות אקולוגית מקובלת רק מעל 700 מעלות צלזיוס, אבל טמפרטורות גבוהות כאלה מאיצות את ההידרדרות מאסטרטגיות בין-גזעיות, הפרדה בשלב, ורכיבי אופניים תרמיים המבוססים על דלק עד 500-700 מעלות צלזיוס מפחיתים את העלות של מערכת על ידי כך שאפשרה שימוש בהפרעות מתכתיות וקלות יותר ויותר של אלקטרו-גופיות, כמו רכיבים חשמליים, כמו לחץ חיצוני, או לחץ חיצוני, כמו גם לחץ חיצוני, או לחץ חיצוני.

גז אטמוספרה ולחץ

הרכב והלחץ של הזרמים הדלק והאוויר משפיעים ישירות על ביצועי אלקטרו-כימיים. בצד הרוד, נוכחות של זיהומים כגון H2S, HCl, או siloxanes יכול להרעיל אתרי קטליטיים ולפרק רכיבים קרמיקה. Sulfurהרעלת הוא אתגר מיוחד עבור חומרי מחסנית המבוססים על ניקל, עם זאת דורש חלופות מורכבות או דפוריזציה של דלק חמצן נמוך.

אתגרים ודרכים מחקר

למרות התקדמות משמעותית, כמה אתגרים נותרו לפני קרמיקה מתקדמת יכולים לאפשר מסחר נרחב של טכנולוגיות תאי דלק.אתגרים אלה לאורך ביצועים חומריים, יכולת ייצור ושילוב מערכת.הסעיפים הבאים מכנים נושאים מרכזיים ומאמצים מחקריים מתמשכים.

גירוש מכניזם

(טווח ארוך) ניתוח (target > 40,000 שעות עבור יישומים נייחים) דורש קרמיקה שמתנגדת לכמה מצבי הידרדרות.מוליכים לריון חמצן יכולים לחוות שינוי איטי: YSZ יכול לעבור טרנספורמציה tetragonal-to-monoclinicית תחת לחץ מכני או אופניים תרמיים, צמצום השלמות המכאניתנית של אלקטרוליטים מבוססי Ceria רגישים להפחתת ה-RVal-to-to-to-to-to-to-to-to-Drection כולל מנגנונים מתקדמים של מנגנונים מתקדמים:

טמפרטורה הפעלה נמוכה

אחד התחומים הפעילים ביותר של מחקר הוא פיתוח של חומרים קרמיקה אשר שומרים ביצועים גבוהים ב 500-700 מעלות צלזיוס או אפילו נמוך יותר (300-500 מעלות צלזיוס עבור תאים מוליכים גבולות פרוטון) זה מפחית את שיעורי ההשפלה ומאפשר שימוש של יחסי נירוסטה זולים (SZ) אפילו שיפורי משקל (pZ) של חומרים אלקטרוליטטיס דק ( ⁇ 1-5 מיקרומטר) מופקדים על ⁇ תומך באופן משמעותי של או ירידה של נוגדנים חשמליים (OC) ב-HD) של צריכת לייזרים נמוכה יותר.

חומרים חדשים ואדריכלות

מעבר perovskites ו פלואוריטים קונבנציונליים, החוקרים בוחנים מבנים שכבתיים כגון Rulisden-Popper שלבים, רימילטים חום, ו תחמוצות מסוג apatite.חומרים אלה מציגים מוליכות איקונית אנטרופית, פוטנציאל המאפשר תחבורה עצמאית מורכבת של צינורות חשמליים מורכבים כמו גם מתכתי מתכת קרמיקה.

ייצור ועלויות ניכוי

עבור תאים דלק להתחרות עם הדור של כוח קונבנציונלי, עלויות הייצור חייב לרדת.העיבוד הקרמי בדרך כלל כרוך ערימה גבוהה של צינורות זמן ייצור של זמן גבוהה (200-1500 מעלות צלזיוס), אשר הוא אנרגיה אינטנסיבית ודורש שלבים יקר co-Fireing טמפרטורות רעוע באמצעות שימוש במגרעות של תאים: ירידה במשקל של פחמן או ירידה של סוללות, כמו פלסמה ניצוצית, או נזלת היא אזור פעיל של חומרים מסוכנים, כמו אפקט של פחמן-מפסת, כמו סוללת שומן-מפסת, כמו גם כן, כמו גם כן, או ירידה במשקל נדיר של עלויות סוללת שומן.

יעילות דלק וסובלנות

כדי להרחיב את הכדאיות של תאי דלק, קרמיקה חייבת לסבול מגוון של דלקים מעבר למימן טהור, כולל גז טבעי, ביוגז, ורפורמות דיזל.רפורמות פנימיות של פחמימנים ישירות על ה aode יכול לפשט את עיצוב המערכת, אך מציג סיכונים של זיהום פחמן (cosocial) על גבי זרזי גז נוזליים המבוססים על ניקל (Copt) אשר עמידים על מנת לכלול גם על ידי רזולוציה של כמה שיותר זמן של חומרים חשמליים) ו-tocoptsocoptto-to-to-to-ofcopts (או-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-of) של ⁇ ) של חומרים המבוססים על ידי ⁇ ) על גבי ⁇ ) על ידי שימוש ב-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to

Outlook for Advanced Ceramics in Fuel Cell Technologies

קרמיקה מתקדמת הן עמוד השדרה של תאי דלק עתיריים, המספקים מסלולים ionic ואלקטרוניים הדרושים להמרות אנרגיה יעילה.המשחק בין הרכב, המיקרו-מבנה, ותנאי התפעול קובעים את התכונות אלקטרו-כימיות השולטות בביצועים ובעמידות. בעוד YSZ ו-LSM נשארים במדדי חשמל מתקדמים, נוף עשיר של חומרים חלופיים, טמפרטורות מתקדמות יותר, המופעלות על ידי פיתוח חשמלי, וטמפרטורות מתקדמות יותר ויותר יעילות יותר, דורשות יותר ויותר, וגמישות, פעילות גופנית, ומהירות יותר ויותר, תהליכים מתקדמים יותר ויותר, תהליכים מתקדמים של פיתוח אוויריות, טמפרטורות מתקדמות יותר ויותר, טמפרטורות תפעוליות, טמפרטורות מתקדמות יותר ויותר, טמפרטורות מתקדמות יותר ויותר יעילות יותר ויותר, טמפרטורות יעילות יותר ויותר, יעילות של אנרגיה, התעמלות, התעמלות, טמפרטורות יעילות יותר ויותר, יעילות של אנרגיה, טמפרטורות תפעוליות, טמפרטורות תפעוליות, יעילות יותר ויותר, יעילות של אנרגיה, טמפרטורות מתקדמות יותר ויותר, ייצור, ייצור, ייצור, ייצור, יעילות של אנרגיה, קרמיקה, טמפרטורות מתקדמות יותר ויותר יעילות יותר ויותר, ייצור, יעילות יותר ויותר, ייצור, טמפרטורות תפעוליות, טמפרטורות מתקדמות יותר ויותר, טמפרטורות מתקדמות יותר ויותר יעילות יותר ויותר, ייצור, ייצור,