Қатты оксидті отын жасу элементтері: Энергияны тотығу арқылы өндіру

Кіріспе

Отынды тотықсыздандыру арқылы электр энергиясын өндіретін отын элементі

Қатты оксидті отын элементі (немесе SOFC) – отынды тотықсыздандырудан тікелей электр энергиясын өндіретін электрохимиялық түрлендіру құрылғысы. Отын элементтері электролит материалымен сипатталады; SOFC қатты оксид немесе керамикалық электролитке ие. Отын элементтерінің бұл класының артықшылықтарына жоғары біріктірілген жылу және электр энергиясының тиімділігі, ұзақ мерзімді тұрақтылық, отынның әмбебаптығы, төмен эмиссия деңгейі және салыстырмалы түрде төмен құн жатады. Ең үлкен кемшілігі – жоғары жұмыс температурасы, ол ұзақ іске қосылу уақытына және механикалық және химиялық үйлесімділік мәселелеріне алып келеді.

Кіріспе

Қатты оксидтік отын элементтері – электролит ретінде қатты оксидтік материалды пайдаланумен сипатталатын отын элементтерінің класы. SOFC электролит катодтан анодқа теріс оттегі иондарын өткізу үшін қатты оксидті электролитті қолданады. Осылайша, анод жағында оттегі иондарымен сутек, көміртек оксиді немесе басқа да органикалық аралық заттардың электрохимиялық тотығуы жүзеге асады. Соңғы уақытта, электролит арқылы оттегі иондарының орнына протонды тасымалдайтын және дәстүрлі SOFC-ге қарағанда төмен температурада жұмыс істеу мүмкіндігін беретін PC SOFC (протонды өткізгіш SOFC) әзірленуде. Олар әдетте 600 және 1000 °C аралығында, яғни төмен температуралы отын элементтеріне, мысалы PEMFC-ге қажеттідей жоғары температурада жұмыс істейді және көміртек оксидінің катализаторлық улануына ұшырамайды. Дегенмен, күкіртпен улануға бейімділік кеңінен байқалады, сондықтан күкірттің отын элементіне енуіне жол бермес бұрын оны жою қажет. Газдалған биомасса, көмір немесе биогаз сияқты сапасы төмен отындар үшін отынды өңдеу процесі күрделене түседі және сәйкесінше қымбатқа соғады. Газдандыру процесі шикізатты отын элементтері үшін қолайлы газ тәрізді күйге айналдырады, бұл иіссіз қоспалардың айтарлықтай мөлшерін тудырады. Бұл қоспалар метан және толуол сияқты кіші молекулаларды, сондай-ақ ірі полиароматты және қысқа тізбекті көмірсутек қосылыстарын қамтиды. Бұл заттар SOFC-терде көміртегінің жиналуына әкелуі мүмкін. Сонымен қатар, реформалау және күкіртсіздендіруге байланысты шығындар отын элементінің өзінің құнымен шамалас. Бұл факторлар, әсіресе, төмен қуаттылығы бар немесе жоғары тасымалдағыштық қажеттіліктері бар жүйелер үшін маңызды. Қатты оксидтік отын элементтерінің қолданылу саласы кең: көлік құралдарындағы қосымша қуат көздерінен бастап 100 Вт-тан 2 МВт-қа дейінгі қуаттылығы бар стационарлық электр энергиясын өндіруге дейін. 2009 жылы австралиялық Ceramic Fuel Cells компаниясы SOFC құрылғысының тиімділігін бұрынғы теориялық 60% деңгейіне жеткізді. Жоғары жұмыс температурасы SOFC-терді жылу қозғалтқыштарының энергиясын қалпына келтіру құрылғыларымен немесе біріктірілген жылу және қуат жүйелерімен қолдануға қолайлы етеді, бұл отынның жалпы тиімділігін одан әрі арттырады. Осы жоғары температураның арқасында метан, пропан және бутан сияқты жеңіл көмірсутек отындарын анодтың ішінде реформалауға болады. SOFC-терді бензин, дизельдік отын, реактивтік отын (JP 8) немесе биоотын сияқты ауыр көмірсутектерді сыртқы реформалау арқылы да қуаттандыруға болады. Мұндай реформаттар – сутек, көміртек оксиді, көміртек диоксиді, су және метан қоспалары, олар көмірсутек отынын SOFC анодынан жоғары орналасқан құрылғыда ауамен немесе сумен әрекеттестіру арқылы түзіледі. SOFC қуат жүйелері отын жағу процесінде бөлінетін жылуды эндотермиялық суды реформалау процесіне пайдалану арқылы тиімділікті арттыра алады. Сонымен қатар, көмір және биомасса сияқты қатты отындарды газға айналдырып, SOFC-терді қуаттандыруға жарамды синтез-газ түзе алады, бұл интегралды газға айналдыру отын элементтік қуат циклдарында қолданылады. Термиялық кеңею бастапқыда біркелкі және жақсы реттелген қыздыру процесін қажет етеді. Жазық геометриялы SOFC үйінділерін жұмыс температурасына дейін қыздыруға шамамен бір сағат уақыт керек. Микро түтікшелі отын элементтерінің геометриялық дизайны әдетте бірнеше минут ішінде жылдам іске қосылу уақытын қамтамасыз етеді. Басқа отын элементтерінен айырмашылығы, SOFC-терде әртүрлі геометриялар болуы мүмкін. Жазық отын элементтерінің геометриясы – көптеген отын элементтерінде қолданылатын электролиттің электродтар арасында орналастырылған сэндвич тәрізді геометриясы. SOFC-терді құбырлы геометрияда да жасауға болады, онда ауа немесе отын құбырдың ішкі жағы арқылы, ал басқа газ құбырдың сыртқы жағы арқылы өтеді. Құбырлы конструкция ауаны отыннан оңай бөлуге мүмкіндік береді. Алайда, қазіргі уақытта жазық конструкцияның жұмыс көрсеткіштері құбырлы конструкциядан жоғары, өйткені жазық конструкцияның кедергісі салыстырмалы түрде төмен. SOFC-тің басқа геометрияларына модификацияланған жазық отын элементтері (MPC немесе MPSOFC) жатады, онда толқын тәрізді құрылым жазық элементтің дәстүрлі жазық конфигурациясын алмастырады. Мұндай конструкциялар перспективалы, өйткені олар жазық элементтердің (төмен кедергі) және құбырлы элементтердің артықшылықтарын біріктіреді.

Solid oxide fuel cells are a class of fuel cells characterized by the use of a solid oxide material as the electrolyte. SOFCs use a solid oxide electrolyte to conduct negative oxygen ions from the cathode to the anode. The electrochemical oxidation of the hydrogen, carbon monoxide or other organic intermediates by oxygen ions thus occurs on the anode side. More recently, proton conducting SOFCs (PC SOFC) are being developed which transport protons instead of oxygen ions through the electrolyte with the advantage of being able to be run at lower temperatures than traditional SOFCs. They operate at very high temperatures, typically between 600 and 1,000 °C. as is currently necessary for lower temperature fuel cells such as PEMFCs, and are not vulnerable to carbon monoxide catalyst poisoning. However, vulnerability to sulfur poisoning has been widely observed and the sulfur must be removed before entering the cell. For fuels that are of lower quality, such as gasified biomass, coal, or biogas, the fuel processing becomes increasingly complex and, consequently, more expensive. The gasification process, which transforms the raw material into a gaseous state suitable for fuel cells, can generate significant quantities of aromatic compounds. These compounds include smaller molecules like methane and toluene, as well as larger polyaromatic and short chain hydrocarbon compounds. These substances can lead to carbon buildup in SOFCs. Moreover, the expenses associated with reforming and desulfurization are comparable in magnitude to the cost of the fuel cell itself. These factors become especially critical for systems with lower power output or greater portability requirements. Solid oxide fuel cells have a wide variety of applications, from use as auxiliary power units in vehicles to stationary power generation with outputs from 100 W to 2 MW. In 2009, Australian company, Ceramic Fuel Cells successfully achieved an efficiency of an SOFC device up to the previously theoretical mark of 60%. The higher operating temperature make SOFCs suitable candidates for application with heat engine energy recovery devices or combined heat and power, which further increases overall fuel efficiency. Because of these high temperatures, light hydrocarbon fuels, such as methane, propane, and butane can be internally reformed within the anode. SOFCs can also be fueled by externally reforming heavier hydrocarbons, such as gasoline, diesel, jet fuel (JP 8) or biofuels. Such reformates are mixtures of hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, steam and methane, formed by reacting the hydrocarbon fuels with air or steam in a device upstream of the SOFC anode. SOFC power systems can increase efficiency by using the heat given off by the exothermic electrochemical oxidation within the fuel cell for endothermic steam reforming process. Additionally, solid fuels such as coal and biomass may be gasified to form syngas which is suitable for fueling SOFCs in integrated gasification fuel cell power cycles. Thermal expansion demands a uniform and well regulated heating process at startup. SOFC stacks with planar geometry require on the order of an hour to be heated to operating temperature. Micro tubular fuel cell design geometries promise much faster start up times, typically in the order of minutes. Unlike most other types of fuel cells, SOFCs can have multiple geometries. The planar fuel cell design geometry is the typical sandwich type geometry employed by most types of fuel cells, where the electrolyte is sandwiched in between the electrodes. SOFCs can also be made in tubular geometries where either air or fuel is passed through the inside of the tube and the other gas is passed along the outside of the tube. The tubular design is advantageous because it is much easier to seal air from the fuel. The performance of the planar design is currently better than the performance of the tubular design, however, because the planar design has a lower resistance comparatively. Other geometries of SOFCs include modified planar fuel cell designs (MPC or MPSOFC), where a wave like structure replaces the traditional flat configuration of the planar cell. Such designs are highly promising because they share the advantages of both planar cells (low resistance) and tubular cells.

Операция

Қатты оксидтік отын жасушасы төрт қабаттан тұрады, оның үшеуі керамикадан (сондықтан осылай аталады). Осы төрт қабаттан құралған бір жасушаның қалыңдығы әдетте бірнеше миллиметрді құрайды. Осындай жүздеген жасушалар тізбектей жалғанып, көпшілік "SOFC стектері" деп білетін құрылымды жасайды. SOFC-де қолданылатын керамикалар электрлік және иондық қасиеттерін тек өте жоғары температурада ғана көрсетеді, сондықтан стектер 500-1000 °C температурада жұмыс істеуге тиіс. Катодта оттегінің оттегі иондарына дейін тотығуы жүреді. Бұл иондар қатты оксидтік электролит арқылы анодқа диффузияланып, онда отынды электрохимиялық түрде тотықтырады. Бұл реакцияда су және екі электрон бөлінеді. Бұл электрондар сыртқы тізбек арқылы өтіп, жұмыс атқарады. Содан кейін цикл қайталанады, бұл электрондар қайтадан катод материалына еніп, процесті жаңалайды.

Катод

Катод немесе ауа электроды – оттегінің тотығу реакциясы жүретін электролиттің жұқа, кеуекті қабаты. Жалпы реакция Крьогер-Винк нотациясымен былай жазылады:

Катод материалдары кем дегенде электр өткізгіш болуы керек. Қазіргі уақытта коммерциялық қолдану үшін лантан-стронций манганиті (LSM) таңдалып алынған катод материалы, себебі ол қоспаланған циркония электролиттерімен үйлесімді. Механикалық тұрғыдан алғанда, оның YSZ-ға ұқсас жылулық кеңею коэффициенті бар, демек, CTE сәйкессіздігінен туындайтын кернеудің қалыптасуын шектейді. Сонымен қатар, LSM-нің YSZ-бен химиялық реакцияға түсу деңгейі төмен, бұл материалдардың қызмет ету мерзімін ұзартады. Алайда, LSM нашар иондық өткізгіш, сондықтан электрохимиялық белсенді реакция электролит, ауа және электрод кездесетін үш фазалық шекарамен (TPB) шектеледі. LSM жоғары температурада катод ретінде жақсы жұмыс істейді, бірақ операциялық температура 800 °C-тан төмен түскенде оның тиімділігі тез төмендейді. Реакция аймағын TPB-дан тыс кеңейту үшін потенциалды катод материалы электрондарды да, оттегі иондарын да өткізе алуы тиіс. Осы үш фазалық шекараның ұзындығын арттыру үшін LSM және YSZ қосылған композиттік катодтар қолданылады. Перовскит LSCF сияқты аралас иондық/электрондық өткізгіш (MIEC) керамикалары да аралық температурадағы SOFC-ларда қолдану үшін зерттелуде, себебі олар белсендірек және реакцияның белсенділік энергиясының артуын толықтыра алады.

Байланыс

Байланыстырушы элемент әрбір жеке жасушаның арасында орналасқан металл немесе керамикалық қабат болуы мүмкін. Оның мақсаты – әр жасушаны тізбектей қосу, осылайша әр жасуша тудыратын электр энергиясын біріктіру. Байланыстырушы жоғары температурада жасушаның тотықтырғыш және тотықсыздандыру жақтарына ұшырағандықтан, ол өте тұрақты болуы тиіс. Осы себепті керамикалық материалдар металдарға қарағанда ұзақ мерзімді қолдануда табыстырақ болды. Дегенмен, бұл керамикалық материалдар металдармен салыстырғанда өте қымбат. Никель және болат негізіндегі қорытпалар 600–800 °C температурада жұмыс ілейтін SOFC-тердің дамуымен бірге үміт беруші болып келеді. Y8SZ-бен жанасатын байланыстырушы үшін таңдалған материал – металл 95Cr 5Fe қорытпасы. Сондай-ақ, жоғары температурада жылулық тұрақтылығымен және тамаша электр өткізгіштігімен көзге түскен «сермет» деп аталатын керамикалық-металл композиттері де қарастырылуда.

Оммдық поляризация

SOFC-дегі Оммдық шығындар электролит арқылы иондық өткізгіштік пен сыртқы электр тізбегінде электрондар ағынына көрсетілетін электрлік кедергінің нәтижесінде пайда болады. Бұл кристаллдық құрылым мен қатысқан атомдардың материалдық қасиетімен байланысты. Дегенмен, иондық өткізгіштікті максималды деңгейге жеткізу үшін бірнеше әдіс қолданылуы мүмкін. Біріншіден, жоғары температурада жұмыс істеу Оммдық шығындарды едәуір төмендетуге мүмкіндік береді. Кристаллдық құрылымды одан әрі жақсарту және дефектілердің концентрациясын бақылау үшін қолданылатын қосымша допингтік әдістер де өткізгіштікті арттыруда маңызды рөл атқарады. Омдық кедергіні азайтудың тағы бір жолы – электролит қабатының қалыңдығын азайту.

Мақсат

DOE-нің мақсатты талаптары стационарлық отын элементтері қолданбалары үшін 40 000 сағаттық қызмет мерзімі, ал көлік жүйелері (отын элементі көліктері) үшін – 5 000 сағаттан жоғары болуын қамтиды. Бұл талаптар 10 кВт көмірге негіделген жүйе үшін зауыттық құны 40 доллар/кВт шамасында, қосымша талаптарсыз беріледі. Өмірлік әсерлер (фазалық тұрақтылық, жылулық кеңеюдің үйлесімділігі, элементтердің жылжуы, өткізгіштік және тозу) ескерілуі керек. Қатты күйдегі энергия түрлендіру альянсының 2008 жылғы (уақытша) мақсаты бойынша, 1000 сағатқа шаққандағы жалпы нашарлау 4,0% құрауы тиіс.

Зерттеу

Қазіргі уақытта зерттеулер төмен температуралы (600 °C) SOFC-ге бағытталған. Төмен температуралы жүйелер оқшаулау, материалдар, іске қосу және тозумен байланысты шығындарды азайту арқылы шығындарды төмендетуге мүмкіндік береді. Жоғары жұмыс температурасы кезінде температура градиенті жылулық кернеулердің күшін арттырады, бұл материалдардың құнына және жүйенің қызмет мерзіміне әсер етеді. Орташа температуралық жүйе (650-800 °C) жақсы механикалық қасиеттері мен жылу өткізгіштігі бар арзан металл материалдарын пайдалануға мүмкіндік береді. Наноөлшемді электролит құрылымдарының жаңа жетістіктері жұмыс температурасын шамамен 350 °C-қа дейін төмендетуге болатынын көрсетті, бұл тіпті арзан болат пен эластомерлік/полимерлік компоненттерді пайдалануға мүмкіндік береді. Жұмыс температурасын төмендетудің қосымша артықшылығы – тиімділіктің жоғарылауы. Теориялық отын жасушасының тиімділігі температураның төмендеуімен артады. Мысалы, CO отыны ретінде қолданылатын SOFC тиімділігі жүйе температурасы 900 °C-тан 350 °C-қа төмендегенде 63%-дан 81%-ға дейін артады. Бұл жарым-жартылай жұмыс температурасын төмендету арқылы қол жеткізіледі, бұл протон алмасу мембраналық отын жасушаларында (PEMFC) орын алады. Отынның әмбебаптығына байланысты, олар ішінара қайта өңделген дизельмен жұмыс істей алады, бұл SOFC-ті тоңазытқыш жүк көліктеріндегі қосалқы қуат агрегаты (APU) ретінде қызықты етеді. Delphi Automotive Systems автомобильдер мен тіркемелердегі қосалқы құрылғыларды қуатпен қамтамасыз ететін SOFC әзірлеп жатыр, ал BMW ұқсас жобаны тоқтатты. Жоғары температуралы SOFC қозғалтқыштың кішірек және тиімді болуына мүмкіндік беретін барлық қажетті электр энергиясын өндіреді. SOFC қозғалтқыштың бензинімен немесе дизелімен жұмыс істейді және қозғалтқыш қажет болмаған кезде (мысалы, тоқтау кезінде немесе жүк көлігі тоқтағанда) ауа баптау жүйесін және басқа да қажетті электр жүйелерін жұмыс істеуін қамтамасыз етеді. Rolls-Royce компаниясы арзан керамикалық материалдарға экранды басып шығару арқылы өндірілетін қатты оксидті отын жасушаларын жасап жатыр. Rolls Royce Fuel Cell Systems Ltd мегаватт деңгейінде электр энергиясын өндіру үшін табиғи газбен жұмыс істейтін SOFC газ турбиналық гибридтік жүйесін (мысалы, Futuregen) әзірлеп жатыр. Солтүстік-Батыс университетінің Шах зертханасында 3D-басып шығару технологиясы SOFC өндірісін жеңілдету үшін зерттелуде. Бұл өндіріс әдісі SOFC жасушасының құрылымын икемдірек етуге мүмкіндік береді, бұл тиімдірек жобаларға әкелуі мүмкін. Бұл процесс жасушаның кез келген бөлігін жасауға қолданылады. 3D-басып шығару процесінде 80% керамикалық бөлшектер 20% байланыстырғыштармен және еріткіштермен біріктіріледі, содан кейін бұл қоспаны 3D-принтерге берілетін сияға айналдырады. Еріткіштің бір бөлігі өте ұшқыр, сондықтан керамикалық сия бірден қатып қалады. Еріткіштің барлығы буланып кетпейді, сондықтан сия жоғары температурада қыздырылып, тығыздалғанша иілгіштік қасиеттерін сақтайды. Бұл икемділік жасушаларды дөңгелек пішінде жасауға мүмкіндік береді, бұл электрхимиялық реакциялар болатын беттік ауданын арттырады, бұл жасушаның тиімділігін арттырады. Сонымен қатар, 3D-басып шығару әдісі жасуша қабаттарын бөлек өндіріс және үйіру кезеңдерінен өтудің орнына бір-бірінің үстіне басып шығаруға мүмкіндік береді. Қалыңдығын бақылау оңай, ал қабаттарды қажетті өлшем мен пішінде жасауға болады, сондықтан қалдықтар азайтылады. Ceres Power Ltd. компаниясы керамиканы қолдау үшін тот баспайтын болатты пайдалануға мүмкіндік беретін, қазіргі өнеркәсіптік стандартты керамиканың орнына церий гадолиний оксидін (CGO) қолдана отырып, арзан және төмен температуралы (500-600 градус) SOFC стегін әзірледі. Solid Cell Inc. компаниясы планарлық және түтікшелік конструкциялардың қасиеттерін, сондай-ақ Cr-сіз керамикалық өзара байланысты біріктіретін бірегей, арзан жасуша архитектурасын әзірледі. Флорида университетінің Гейнсвилл қаласындағы жоғары температуралық электрохимия орталығы (HITEC) иондық тасымалдауды, электрокатализдік құбылыстарды және ион өткізетін материалдардың микроқұрылымдық сипаттамасын зерттеуге бағытталған. Гарвардтың SiEnergy Systems компаниясы 500 градус температурада жұмыс істейтін бірінші макро масштабты жұқа пленкалық қатты оксидтік отын жасушасын көрсетті.

Research is going now in the direction of lower temperature SOFCs (600 °C). Low temperature systems can reduce costs by reducing insulation, materials, start up and degradation related costs. With higher operating temperatures, the temperature gradient increases the severity of thermal stresses, which affects materials cost and life of the system. An intermediate temperature system (650 800 °C) would enable the use of cheaper metallic materials with better mechanical properties and thermal conductivity. New developments in nano scale electrolyte structures have been shown to bring down operating temperatures to around 350 °C, which would enable the use of even cheaper steel and elastomeric/polymeric components. Lowering operating temperatures has the added benefit of increased efficiency. Theoretical fuel cell efficiency increases with decreasing temperature. For example, the efficiency of a SOFC using CO as fuel increases from 63% to 81% when decreasing the system temperature from 900 °C to 350 °C. This can be partially achieved by lowering operating temperatures, which is the case for proton exchange membrane fuel cell (PEMFCs). Due to their fuel flexibility, they may run on partially reformed diesel, and this makes SOFCs interesting as auxiliary power units (APU) in refrigerated trucks. Specifically, Delphi Automotive Systems are developing an SOFC that will power auxiliary units in automobiles and tractor trailers, while BMW has recently stopped a similar project. A high temperature SOFC will generate all of the needed electricity to allow the engine to be smaller and more efficient. The SOFC would run on the same gasoline or diesel as the engine and would keep the air conditioning unit and other necessary electrical systems running while the engine shuts off when not needed (e. g., at a stop light or truck stop). Rolls Royce is developing solid oxide fuel cells produced by screen printing onto inexpensive ceramic materials. Rolls Royce Fuel Cell Systems Ltd is developing an SOFC gas turbine hybrid system fueled by natural gas for power generation applications in the order of a megawatt (e. g. Futuregen). 3D printing is being explored as a possible manufacturing technique that could be used to make SOFC manufacturing easier by the Shah Lab at Northwestern University. This manufacturing technique would allow SOFC cell structure to be more flexible, which could lead to more efficient designs. This process could work in the production of any part of the cell. The 3D printing process works by combining about 80% ceramic particles with 20% binders and solvents, and then converting that slurry into an ink that can be fed into a 3D printer. Some of the solvent is very volatile, so the ceramic ink solidifies almost immediately. Not all of the solvent evaporates, so the ink maintains some flexibility before it is fired at high temperature to densify it. This flexibility allows the cells to be fired in a circular shape that would increase the surface area over which electrochemical reactions can occur, which increases the efficiency of the cell. Also, the 3D printing technique allows the cell layers to be printed on top of each other instead of having to go through separate manufacturing and stacking steps. The thickness is easy to control, and layers can be made in the exact size and shape that is needed, so waste is minimized. Ceres Power Ltd. has developed a low cost and low temperature (500–600 degrees) SOFC stack using cerium gadolinium oxide (CGO) in place of current industry standard ceramic, yttria stabilized zirconia (YSZ), which allows the use of stainless steel to support the ceramic. Solid Cell Inc. has developed a unique, low cost cell architecture that combines properties of planar and tubular designs, along with a Cr free cermet interconnect. The high temperature electrochemistry center (HITEC) at the University of Florida, Gainesville is focused on studying ionic transport, electrocatalytic phenomena and microstructural characterization of ion conducting materials. SiEnergy Systems, a Harvard spin off company, has demonstrated the first macro scale thin film solid oxide fuel cell that can operate at 500 degrees.

Мемлекеттік корпорация

Қатты оксидті электролизерлік элемент (SOEC) – қатты оксидті отын элементі, суды қатты оксидті немесе керамикалық электролит арқылы электролиздеу үшін регенеративті режимде жұмыс істейді, нәтижесінде оттегі және сутек газы өндіріледі. SOEC-тер CO2-ны CO және оттегі өндіру үшін электролиздеуге, тіпті су мен CO2-ны бірге электролиздеуге синтездік газ бен оттегі алу үшін де қолданылуы мүмкін.

ITSOFC

Орташа температуралық (IT) диапазонды, яғни 600 және 800 °C аралығында жұмыс істейтін SOFC-тар ITSOFC деп аталады. 900 °C-тан жоғары температурада туындайтын жоғары деградация жылдамдығы және материалдар құнына байланысты, SOFC-терді төмен температурада пайдалану экономикалық тұрғыдан тиімді. Жоғары өнімділікке ие ITSOFC-терді жасауға бағытталған зерттеулер мен әзірлемелер қазіргі таңдағы маңызды тақырыптардың бірі болып табылады. Назар аудару қажетті бір сала – катод материалы. Өнімділік жоғалтудың көп бөлігі оттегінің тотығу реакциясымен байланысты деп есептеліп, катодтың катализдік белсенділігі әртүрлі әдістер арқылы, соның ішінде катализаторды сіңдіру арқылы зерттеледі және жақсартылады. NdCrO3 бойынша жүргізілген зерттеулер оның ITSOFC катоды үшін перспективті материал екенін көрсетті, себебі ол берілген температура диапазонында термохимиялық тұрақты. Тағы бір маңызды сала – электролиттік материалдар. SOFC-терді нарықта бәсекеге қабілетті ету үшін ITSOFC-тер жаңа материалдарды қолдану арқылы жұмыс температурасын төмендетуге ұмтылады. Дегенмен, материалдардың тиімділігі мен тұрақтылығы олардың қолданылу мүмкіндігін шектейді. Электролиттік жаңа материалдардың бірі – церий тұзының керамикалық композиттері (CSC). Екі фазалы CSC электролиттері GDC (гадолиний қосылған церий) және SDC (самарий қосылған церий) MCO3 (M=Li, Na, K, карбонаттардың жеке немесе қоспасы) 300-800 мВт*см-2 қуат тығыздығына қол жеткізе алады.

LT-SOFC

Төмен температурада (650 °C-тан төмен) жұмыс істейтін қатты оксидті отын элементтері (LT SOFC) болашақ зерттеулер үшін үлкен қызығушылық тудырады, себебі қазіргі уақытта SOFC-терді дамыту мен енгізуді шектейтін фактор – олардың жоғары жұмыс температурасы. Төмен температурадағы SOFC жоғары сенімділікке ие, себебі жылулық үйлесімсіздік аз және герметикалық жабу оңай. Сонымен қатар, төмен температурада аз мөлшерде жылу оқшаулағыш қажет, демек, құны төмен. Материалдарды таңдаудың кеңдігі де құнның төмендеуіне ықпал етеді. Ең маңыздысы, төмен температурада SOFC-терді жылдам және аз энергиямен іске қосуға болады, бұл оларды портативті және тасымалданатын қолданулар үшін қолайлы етеді. Температура төмендеген сайын, Карно циклына керісінше, отын жасудың теориялық ең жоғары тиімділігі артады. Мысалы, отын ретінде СО пайдаланатын SOFC-тің теориялық ең жоғары тиімділігі 900 °C-та 63%-дан 350 °C-та 81%-ға дейін өседі. Бұл, әсіресе SOFC-тегі электролиттер үшін, материалдық мәселе болып табылады. YSZ – жоғары тұрақтылығына байланысты ең көп қолданылатын электролит, бірақ ең жоғары өткізгіштікке ие емес. Қазіргі уақытта YSZ электролиттерінің қалыңдығы ~10 мкм-ге жетеді, бұл үшін 700 °C-тан жоғары температура талап етіледі. Сондықтан, төмен температурадағы SOFC-терді жасау үшін жоғары өткізгіштікке ие электролиттер ғана мүмкін болады. Төмен температурада тиімді болатын баламаларға гадолиний қосылған церий (GDC) және эрбий катиондарымен тұрақтандырылған висмут (ERB) жатады. Олар төмен температурада жоғары иондық өткізгіштікке ие, бірақ бұл төмен термодинамикалық тұрақтылыққа байланысты. CeO2 электролиттері электрондық өткізгіштікке ие болады, ал Bi2O3 электролиттері тотығу ортасында металдық Bi-ге ыдырайды. Бұған қарсы тұру үшін зерттеушілер функционалды түрде градиенттелген церий/висмут оксиді екі қабатты электролит жасады, онда анод жағындағы GDC қабаты ESB қабатын ыдыраудан қорғайды, ал катод жағындағы ESB GDC қабаты арқылы ток ағынын тоқтатады. Бұл екі жоғары өткізгіш электролиттерінің көмегімен теориялық ашық тізбек потенциалына (OPC) жақын нәтижелерге қол жеткізуге мүмкіндік береді, олар өздері қолданба үшін жеткілікті тұрақты болмас еді. Бұл екі қабатты құрылым 500 °C температурада 1400 сағат бойы сынақтан өткізілді және интерфейстік фазаның пайда болуына немесе жылулық үйлесімсіздікке ешқандай белгі бермеді. Бұл SOFC-тің жұмыс температурасын төмендетуге жасалған маңызды қадам, сонымен қатар бұл механизмді түсінуге бағытталған болашақ зерттеулерге жол ашады. Джорджия Технологиялық институтының зерттеушілері BaCeO3-тің тұрақсыздығы мәселесін басқаша шешті. Олар BaCeO3-тегі Ce-нің белгілі бір бөлігін Zr-мен алмастырып, протондық өткізгіштікке және отын жасуға қатысты жағдайларға тұрақты химиялық және жылулық қасиеттерге ие қатты ерітінді жасады. SOFC қолдану үшін барлық белгілі электролит материалдарының ішінде ең жоғары иондық өткізгіштікке ие жаңа арнайы құрам, Ba(Zr0.1Ce0.7Y0.2)O3 δ (BZCY7) алынды. Бұл электролит құрғақ престеу әдісімен жасалды, бұл 15 мкм-ден жуық қалыңдыққа ие жарықтарсыз пленкалар жасауға мүмкіндік берді. Осы қарапайым және тиімді өндіріс әдісін қолдану SOFC өндірісінде шығындарды едәуір төмендетуге мүмкіндік береді. Алайда, бұл электролит екі қабатты электролит моделіне қарағанда жоғары температурада, шамамен 600 °C-та жұмыс істейді. Қазіргі уақытта LT SOFC саласының даму деңгейін ескере отырып, электролиттердегі прогресс ең көп пайда әкелерді, бірақ әлеуетті анодтық және катодтық материалдарды зерттеу де пайдалы нәтижелерге әкеледі және бұл мәселе ғылыми әдебиеттерде жиі талқылана бастады.

Low temperature solid oxide fuel cells (LT SOFCs), operating lower than 650 °C, are of great interest for future research because the high operating temperature is currently what restricts the development and deployment of SOFCs. A low temperature SOFC is more reliable due to smaller thermal mismatch and easier sealing. Additionally, a lower temperature requires less insulation and therefore has a lower cost. Cost is further lowered due to wider material choices for interconnects and compressive nonglass/ceramic seals. Perhaps most importantly, at a lower temperature, SOFCs can be started more rapidly and with less energy, which lends itself to uses in portable and transportable applications. As temperature decreases, the maximum theoretical fuel cell efficiency increases, in contrast to the Carnot cycle. For example, the maximum theoretical efficiency of an SOFC using CO as a fuel increases from 63% at 900 °C to 81% at 350 °C. This is a materials issue, particularly for the electrolyte in the SOFC. YSZ is the most commonly used electrolyte because of its superior stability, despite not having the highest conductivity. Currently, the thickness of YSZ electrolytes is a minimum of ~10 μm due to deposition methods, and this requires a temperature above 700 °C. Therefore, low temperature SOFCs are only possible with higher conductivity electrolytes. Various alternatives that could be successful at low temperature include gadolinium doped ceria (GDC) and erbia cation stabilized bismuth (ERB). They have superior ionic conductivity at lower temperatures, but this comes at the expense of lower thermodynamic stability. CeO2 electrolytes become electronically conductive and Bi2O3 electrolytes decompose to metallic Bi under the reducing fuel environment. To combat this, researchers created a functionally graded ceria/bismuth oxide bilayered electrolyte where the GDC layer on the anode side protects the ESB layer from decomposing while the ESB on the cathode side blocks the leakage current through the GDC layer. This leads to near theoretical open circuit potential (OPC) with two highly conductive electrolytes, that by themselves would not have been sufficiently stable for the application. This bilayer proved to be stable for 1400 hours of testing at 500 °C and showed no indication of interfacial phase formation or thermal mismatch. While this makes strides towards lowering the operating temperature of SOFCs, it also opens doors for future research to try and understand this mechanism. Researchers at the Georgia Institute of Technology dealt with the instability of BaCeO3 differently. They replaced a desired fraction of Ce in BaCeO3 with Zr to form a solid solution that exhibits proton conductivity, but also chemical and thermal stability over the range of conditions relevant to fuel cell operation. A new specific composition, Ba(Zr0.1Ce0.7Y0.2)O3 δ (BZCY7) that displays the highest ionic conductivity of all known electrolyte materials for SOFC applications. This electrolyte was fabricated by dry pressing powders, which allowed for the production of crack free films thinner than 15 μm. The implementation of this simple and cost effective fabrication method may enable significant cost reductions in SOFC fabrication. However, this electrolyte operates at higher temperatures than the bilayered electrolyte model, closer to 600 °C rather than 500 °C. Currently, given the state of the field for LT SOFCs, progress in the electrolyte would reap the most benefits, but research into potential anode and cathode materials would also lead to useful results, and has started to be discussed more frequently in literature.

SOFC-GT

SOFC GT жүйесі – газ турбинасымен біріктірілген қатты оксидті отын элементі. Мұндай жүйелерді Siemens Westinghouse және Rolls Royce компаниялары SOFC-ті қысыммен жұмыс істету арқылы жоғары жұмыс тиімділігіне қол жеткізу құралы ретінде бағалаған. SOFC GT жүйелері әдетте анодтық және/немесе катодтық атмосфера айналымын қамтиды, бұл тиімділікті арттырады. Теориялық тұрғыдан алғанда, SOFC пен газ турбинасының үйлесімі жоғары жалпы (электрлік және жылулық) тиімділікке әкелуі мүмкін. SOFC GT-ді біріктірілген салқындату, жылу және қуат (немесе тригенерация) конфигурациясында (ЖЖС арқылы) қосымша қолдану кейбір жағдайларда одан да жоғары жылу тиімділігіне қол жеткізуге мүмкіндік береді. Аталған гибридтік жүйенің тағы бір артықшылығы – энергия тиімділігінің жоғары деңгейінде 100% көмірқышқыл газын ұстау мүмкіндігі. Көмірқышқыл газының шығарылымының болмауы және жоғары энергия тиімділігі сияқты ерекшеліктер электр станциясының жұмысын ерекшелендіреді.