Introduzione alla ceramica avanzata nelle celle a combustibile

Le cellule a combustibile rappresentano una delle più promettenti tecnologie di energia pulita, convertendo l'energia chimica direttamente in energia elettrica con alta efficienza e basse emissioni. Al centro di molti sistemi a celle a combustibile ad alte prestazioni si trovano ceramiche avanzate, materiali che sono stati progettati per esporre eccezionali conducibilità ionica ed elettronica, stabilità termica e resistenza chimica diffusa.

Le celle a combustibile funzionano in base all'ossidazione elettrochimica di un combustibile, tipicamente idrogeno o di un idrocarburico, e alla riduzione dell'ossigeno dall'aria. Nelle cellule a combustibile a ossido solido (SOFC), l'elettrolita è una membrana in ceramica densa che conduce gli ioni di ossigeno a temperature comprese tra i 600 °C e i 1000 °C. Il catodo riduce le migliaia di prestazioni in ioni, che migrano attraverso i percorsi elettrolitici all'interno dell'anodo migliorati all'elettronica migliorata, dove reagiscono i costi elettronici migliorati.

Proprietà elettrochimiche dei materiali ceramici

Le prestazioni di ceramica avanzata nelle celle a combustibile si inseriscono in diverse proprietà elettrochimiche interconnesse, tra cui conducibilità ionica, conducibilità elettronica, attività catalitica per reazioni elettrodi, stabilità chimica sotto atmosfere operative e compatibilità di espansione termica con altri componenti cellulari. Ogni proprietà deve essere ottimizzata per il ruolo specifico che la ceramica svolge all'interno della cella di combustibile, sia come elettrolita, catodo, anodo o interconnessione.

Conduttività ionica

La conducibilità ionica è la capacità di un movimento ceramico di trasportare gli ioni attraverso la sua reticenza di cristallo sotto un campo elettrico applicato o pendenza potenziale chimico. In SOFC, l'elettrolita deve esporre ad alta conducibilità di ossigeno pur essendo abbastanza densa per prevenire il crossover del gas.

I materiali alternativi di elettroliti comprendono la ceria dopata di gadolinium (GDC) e la ceria dorata di samarium (SDC), che presentano una maggiore conducibilità ionica rispetto a YSZ a temperature intermedie (500-700 °C). Tuttavia, gli elettroliti a base di ceria sono inclini alla conduzione elettronica in condizioni di riduzione a lato dell'anodo, che possono ridurre l'efficienza cellulare.

Conduttività elettronica

La conducibilità elettronica in ceramica deriva dal movimento di elettroni o fori elettroni attraverso il materiale. Nelle celle a combustibile, la conducibilità elettronica è essenziale per gli elettrodi—il catodo e l'anodo— per raccogliere corrente e consegnare gli elettroni ai siti di reazione elettrochimica. Lanthanum strontium manganite (LSM) è un materiale classico per catodo per SOFC ad alta temperatura, combinando alta conducibilità elettronica con una buona riduzione di energia.

La combinazione di conduttori ionica-elettronici (MIEC) come la lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF) e barium strontium cobalt ferrite (BSCF) sono sempre più favoriti per SOFC intermedi-temperatura. Questi materiali conducono sia gli ioni di ossigeno che gli elettroni, estendendo la zona di reazione elettrochimica al di là del limite triplo-fase (dove le perdite di elettrodo, elettrolito, e gas di rinfuse)

Attività catalitica

Oltre al trasporto ionico ed elettronico, le ceramiche avanzate utilizzate come elettrodi devono catalizzare le reazioni elettrochimiche. Al catodo, la reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) comporta la rottura del legame O=O e l'integrazione di ioni di ossigeno nel nanolito.

Stabilità chimica

Le cellule a combustibile funzionano sotto ambienti chimici difficili: il catodo è esposto all'aria ossidante ad alte temperature, mentre i contatti anodi riducono i gas di combustibile contenenti idrogeno, monossido di carbonio o idrocarburi.

Fattori che affettano prestazioni elettrochimiche

Le proprietà elettrochimiche delle ceramiche avanzate non sono costanti intrinseche, ma dipendono fortemente dalla composizione materiale, dalla microstruttura e dalle condizioni operative.

Materiale Composizione

La concentrazione di elettroliti a base di zirconia, la dimensione e la concentrazione del dopant influiscono sull'energia della varietà e dell'associazione dei difetti, influenzando direttamente la conducibilità ionica. Per la ceria, la co-doping con più elementi della rare-terra può sopprimere la riduzione e migliorare la conducibilità ionica.

Microstruttura

In elettroliti, ad alta densità e bassa porosità sono necessari per prevenire perdite di gas, mentre le dimensioni del grano sottile possono aumentare la resistenza al limite del grano segregando le fasi secondarie ai confini. Per gli elettrodi, una microstruttura porosa con l'alta superficie è necessaria per massimizzare i siti di reazione.

Temperatura di funzionamento

Le prestazioni delle celle a combustibile sono altamente dipendente dalla temperatura a causa della natura arrhenius della conducibilità ionica e della cinetica elettrode. YSZ presenta una conducibilità ionica accettabile solo al di sopra di 700 °C, ma tali alte temperature accelerano la degradazione dalle reazioni interfacciali, la segregazione di fase e il ciclo termico.

Atmosfera e Pressione del gas

La composizione e la pressione dei flussi di carburante e di aria influiscono direttamente sulle prestazioni elettrochimiche. Sul lato dell'anodo, la presenza di impurità come H2S, HCl, o siloxanes può avvelenare i siti catalitici e degradare i componenti ceramici.

Sfide e direzioni di ricerca attuali

Nonostante i progressi significativi, molte sfide rimangono prima che la ceramica avanzata possa consentire una diffusa commercializzazione delle tecnologie delle celle a combustibile, che si tratti di prestazioni materiali, scalabilità produttiva e integrazione del sistema.

Meccanismi di degradazione

L'operazione a lungo termine (target >40.000 ore per applicazioni stazionarie) richiede la ceramica che resiste a diversi modi di degrado. I conduttori di ossigeno possono sperimentare la trasformazione di fase lenta: YSZ può subire la trasformazione tetragonale-monoclinica in base a stress meccanico o ciclistico termico, riducendo l'integrità meccanica.

Abbassamento delle temperature operative

Uno dei settori più attivi della ricerca è lo sviluppo di materiali ceramici che mantengono alte prestazioni a 500-700 °C o addirittura inferiore (300-500 °C per cellule di conduzione di grano protone) Questo riduce i tassi di degradazione e consente l'uso di interconnessioni di acciaio inossidabile a basso costo.

Materiali e architetture di design

Oltre ai perovskiti e ai fluoriti convenzionali, i ricercatori stanno esplorando strutture a strati come le fasi di Ruddlesden-Popper, i brownmillerites e gli ossidi di tipo apatite. Questi materiali presentano una conducibilità ionica anisotropica, potenzialmente consentendo il trasporto di orientamento-dipendente in film con texture.

Produzione e riduzione dei costi

Per le celle a combustibile per competere con la generazione di energia convenzionale, i costi di produzione devono diminuire. La lavorazione della ceramica comporta in genere sinterizzazione ad alta temperatura (1200–1500 °C), che è l'intensivo dell'energia e richiede costosi passaggi di co-firing.

Flessibilità e tolleranza all'impurità

Per ampliare l'applicabilità delle celle a combustibile, la ceramica deve tollerare una gamma di combustibili al di là dell'idrogeno puro, compreso il gas naturale, biogas e riformato diesel. Riforma interna degli idrocarburi direttamente sull'anodo può semplificare il disegno del sistema, ma introduce i rischi di deposizione del carbonio (coking) su catalizzanti del nichel.

Outlook per ceramica avanzata in tecnologie di celle a combustibile

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