Твердооксидные топливные элементы: принципы работы и перспективы применения.

Введение

Топливный элемент, вырабатывающий электроэнергию посредством окисления.

Твердооксидный топливный элемент (или SOFC) – это электрохимическое устройство, преобразующее энергию, которое напрямую производит электричество в результате окисления топлива. Топливные элементы классифицируются по материалу электролита; в SOFC используется твердый оксидный или керамический электролит. Преимуществами этого класса топливных элементов являются высокая комбинированная эффективность выработки тепла и электроэнергии, долгосрочная стабильность, гибкость в выборе топлива, низкий уровень выбросов и относительно невысокая стоимость. Основным недостатком является высокая рабочая температура, которая приводит к увеличению времени запуска и возникновению проблем механической и химической совместимости материалов.

Введение

Твердооксидные топливные элементы – это класс топливных элементов, характеризующийся использованием твердого оксидного материала в качестве электролита. SOFC используют твердый оксидный электролит для проведения отрицательных ионов кислорода от катода к аноду. Электрохимическое окисление водорода, монооксида углерода или других органических промежуточных веществ ионами кислорода таким образом происходит на анодной стороне. В последнее время разрабатываются протонпроводящие SOFC (PC SOFC), которые транспортируют протоны вместо ионов кислорода через электролит, что дает возможность работать при более низких температурах, чем у традиционных SOFC. Они работают при очень высоких температурах, обычно в диапазоне от 600 до 1000 °C, что в настоящее время необходимо для топливных элементов с более низкой температурой, таких как PEMFC, и не подвержены отравлению катализатора монооксидом углерода. Однако, уязвимость к серосодержащему отравлению широко наблюдается, и сера должна быть удалена перед поступлением в элемент. Для топлива более низкого качества, такого как газифицированная биомасса, уголь или биогаз, процесс подготовки топлива становится все более сложным и, следовательно, более дорогим. Процесс газификации, который преобразует сырье в газообразное состояние, пригодное для топливных элементов, может генерировать значительное количество ароматических соединений. Эти соединения включают в себя более мелкие молекулы, такие как метан и толуол, а также более крупные полиароматические и короткоцепочечные углеводороды. Эти вещества могут приводить к образованию углеродных отложений в SOFC. Более того, затраты, связанные с риформингом и десульфуризацией, сопоставимы по величине со стоимостью самого топливного элемента. Эти факторы особенно важны для систем с меньшей выходной мощностью или повышенными требованиями к портативности. Твердооксидные топливные элементы имеют широкий спектр применения, от использования в качестве вспомогательных силовых установок в транспортных средствах до стационарной генерации электроэнергии мощностью от 100 Вт до 2 МВт. В 2009 году австралийская компания Ceramic Fuel Cells успешно достигла эффективности SOFC-устройства до ранее теоретической отметки в 60%. Более высокая рабочая температура делает SOFC подходящими кандидатами для применения с устройствами рекуперации энергии тепловых двигателей или в системах комбинированного производства тепла и электроэнергии, что дополнительно повышает общую эффективность использования топлива. Благодаря этим высоким температурам, легкие углеводородные топлива, такие как метан, пропан и бутан, могут быть подвергнуты внутреннему риформингу внутри анода. SOFC также могут использовать внешне риформированные более тяжелые углеводороды, такие как бензин, дизельное топливо, авиационное топливо (JP 8) или биотопливо. Такие риформаты представляют собой смеси водорода, монооксида углерода, диоксида углерода, водяного пара и метана, образующиеся в результате реакции углеводородного топлива с воздухом или водяным паром в устройстве, расположенном выше по потоку от анода SOFC. Системы питания SOFC могут повысить эффективность, используя тепло, выделяемое экзотермическим электрохимическим окислением внутри топливного элемента, для эндотермического процесса парового риформинга. Кроме того, твердое топливо, такое как уголь и биомасса, может быть газифицировано для образования синтез-газа, который подходит для питания SOFC в интегрированных циклах производства электроэнергии на топливных элементах газификации. Тепловое расширение требует равномерного и хорошо регулируемого процесса нагрева при запуске. Для нагрева SOFC-стеков с планарной геометрией требуется около часа для достижения рабочей температуры. Микротрубчатые конструкции топливных элементов обещают значительно более быстрое время запуска, обычно в течение нескольких минут. В отличие от большинства других типов топливных элементов, SOFC могут иметь различные геометрии. Планарная конструкция топливного элемента представляет собой типичную «сэндвич»-конструкцию, используемую большинством типов топливных элементов, где электролит зажат между электродами. SOFC также могут быть изготовлены в трубчатой геометрии, где воздух или топливо проходят через внутреннюю часть трубы, а другой газ проходит вдоль внешней стороны трубы. Трубчатая конструкция выгодна тем, что гораздо легче предотвратить смешивание воздуха и топлива. В настоящее время планарная конструкция демонстрирует более высокую производительность, чем трубчатая, поскольку имеет меньшее сопротивление. Другие геометрии SOFC включают модифицированные планарные конструкции топливных элементов (MPC или MPSOFC), где волнообразная структура заменяет традиционную плоскую конфигурацию планарного элемента. Такие конструкции многообещающи, поскольку сочетают в себе преимущества как планарных элементов (низкое сопротивление), так и трубчатых элементов.

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

Твердооксидный топливный элемент состоит из четырех слоев, три из которых – керамика (отсюда и название). Отдельная ячейка, состоящая из этих четырех слоев, обычно имеет толщину всего несколько миллиметров. Сотни таких ячеек затем соединяются последовательно, образуя то, что большинство людей называют "SOFC-стеком". Керамика, используемая в твердооксидных топливных элементах, не становится электрически и ионно активной до достижения очень высокой температуры, и, как следствие, стеки должны работать при температурах от 500 до 1000 °C. Восстановление кислорода до ионов кислорода происходит на катоде. Эти ионы затем диффундируют через твердооксидный электролит к аноду, где они могут электрохимически окислять топливо. В этой реакции выделяется вода как побочный продукт, а также два электрона. Эти электроны затем проходят через внешнюю цепь, где они могут совершать работу. Затем цикл повторяется, когда эти электроны снова поступают в катодный материал.

Катодная

Катод, или воздушный электрод, представляет собой тонкий пористый слой на электролите, где происходит восстановление кислорода. Общая реакция записывается в нотации Крёгера-Винка следующим образом:

Материалы катода должны быть, по крайней мере, электрически проводящими. В настоящее время лантановый стронциевый марганит (LSM) является предпочтительным материалом катода для коммерческого использования благодаря его совместимости с допированными циркониевыми электролитами. С точки зрения механики, он имеет коэффициент теплового расширения, близкий к таковому у YSZ, что ограничивает накопление напряжений из-за расхождения в CTE. Кроме того, LSM обладает низкой химической реакционной способностью с YSZ, что увеличивает срок службы материалов. К сожалению, LSM является плохим ионным проводником, поэтому электрохимически активная реакция ограничена тройной фазовой границей (TPB) – местом контакта электролита, воздуха и электрода. LSM хорошо работает в качестве катода при высоких температурах, но его эффективность быстро снижается при понижении рабочей температуры ниже 800 °C. Для расширения реакционной зоны за пределы TPB потенциальный катодный материал должен проводить как электроны, так и ионы кислорода. Композитные катоды, состоящие из LSM и YSZ, используются для увеличения длины этой тройной фазовой границы. Также исследуются смешанные ионно-электронно-проводящие (MIEC) керамики, такие как перовскитный LSCF, для применения в SOFC средней температуры, поскольку они более активны и способны компенсировать увеличение энергии активации реакции.

Соединение

Связь может быть выполнена в виде металлического или керамического слоя, расположенного между каждой отдельной ячейкой. Она предназначена для последовательного соединения ячеек, чтобы электричество, вырабатываемое каждой ячейкой, могло суммироваться. Поскольку связь подвергается воздействию как окислительной, так и восстановительной среды ячейки при высоких температурах, она должна быть исключительно стабильной. Именно поэтому керамика оказалась более долговечной, чем металлы, в качестве материала для межсоединений. Однако эти керамические материалы для межсоединений значительно дороже металлов. Сплавы на основе никеля и стали становятся все более перспективными по мере разработки SOFC, работающих при более низких температурах (600–800 °C). Металлический сплав 95Cr 5Fe является предпочтительным материалом для межсоединения, контактирующего с Y8SZ. Также рассматриваются керамические металлокомпозиты, известные как "церметы", поскольку они демонстрируют термическую стабильность при высоких температурах и превосходную электропроводность.

Оммическая поляризация

Оммические потери в SOFC возникают из-за ионной проводимости через электролит и электрического сопротивления, оказываемого потоку электронов во внешней электрической цепи. Это фундаментальное свойство материала, определяемое кристаллической структурой и атомами, из которых он состоит. Однако для максимизации ионной проводимости можно применить несколько методов. Прежде всего, работа при более высоких температурах может значительно снизить эти оммические потери. Методы допирования замещением, позволяющие дополнительно улучшить кристаллическую структуру и контролировать концентрацию дефектов, также могут существенно повысить проводимость. Еще один способ уменьшить оммическое сопротивление – уменьшение толщины слоя электролита.

Цель

Целевые требования DOE составляют 40 000 часов наработки для стационарных топливных элементов и более 5 000 часов для транспортных систем (транспортных средств на топливных элементах) при заводской стоимости 40 долларов США за кВт для 10-кВт системы на угольном топливе без дополнительных требований. Необходимо учитывать факторы, влияющие на срок службы (фазовую стабильность, совместимость термического расширения, миграцию элементов, электропроводность и старение). Промежуточная цель Альянса по преобразованию твердотельной энергии 2008 года по общей деградации на 1000 часов составляет 4,0%.

Исследования

Исследования в настоящее время ведутся в направлении низкотемпературных SOFC (600 °C). Низкотемпературные системы могут снизить затраты за счет сокращения расходов на изоляцию, материалы, запуск и деградацию. При более высоких рабочих температурах температурный градиент увеличивает интенсивность тепловых напряжений, что влияет на стоимость материалов и срок службы системы. Система промежуточной температуры (650–800 °C) позволит использовать более дешевые металлические материалы с улучшенными механическими свойствами и теплопроводностью. Новые разработки в области наноструктурированных электролитов показали возможность снижения рабочих температур до примерно 350 °C, что позволит использовать еще более дешевую сталь и эластомерные/полимерные компоненты. Снижение рабочих температур имеет дополнительное преимущество – повышение эффективности. Теоретическая эффективность топливных элементов возрастает с уменьшением температуры. Например, эффективность SOFC, использующего CO в качестве топлива, увеличивается с 63% до 81% при снижении температуры системы с 900 °C до 350 °C. Этого можно частично достичь за счет снижения рабочих температур, что характерно для протонно-обменных мембранных топливных элементов (PEMFC). Благодаря топливной гибкости они могут работать на частично реформированном дизельном топливе, что делает SOFC перспективными в качестве вспомогательных силовых установок (APU) в рефрижераторных грузовиках. В частности, Delphi Automotive Systems разрабатывает SOFC для питания вспомогательных агрегатов в автомобилях и тягачах, в то время как BMW недавно прекратила аналогичный проект. Высокотемпературный SOFC сможет генерировать всю необходимую электроэнергию, позволяя использовать двигатель меньшего размера и более высокой эффективности. SOFC будет работать на том же бензине или дизельном топливе, что и двигатель, и обеспечит работу кондиционера и других необходимых электрических систем, в то время как двигатель будет отключаться при неиспользовании (например, на светофоре или на стоянке грузовика). Rolls Royce разрабатывает твердооксидные топливные элементы, изготовленные методом трафаретной печати на недорогих керамических материалах. Rolls Royce Fuel Cell Systems Ltd разрабатывает гибридную систему SOFC и газовой турбины, работающую на природном газе для производства электроэнергии мощностью порядка мегаватта (например, Futuregen). Лаборатория Шаха в Северо-Западном университете изучает возможность использования 3D-печати в качестве метода производства, который может упростить производство SOFC. Этот метод позволит сделать структуру ячеек SOFC более гибкой, что может привести к более эффективным конструкциям. Этот процесс может применяться при производстве любой части ячейки. Процесс 3D-печати заключается в смешивании около 80% керамических частиц с 20% связующих веществ и растворителей, а затем преобразовании этой суспензии в чернила, которые подаются в 3D-принтер. Некоторые растворители очень летучи, поэтому керамические чернила затвердевают почти мгновенно. Не все растворители испаряются, поэтому чернила сохраняют некоторую гибкость перед обжигом при высокой температуре для уплотнения. Эта гибкость позволяет обжигать ячейки в круглой форме, что увеличивает площадь поверхности, на которой могут происходить электрохимические реакции, повышая эффективность ячейки. Кроме того, технология 3D-печати позволяет печатать слои ячеек друг на друга, вместо того чтобы проходить отдельные этапы производства и укладки. Толщину слоев легко контролировать, и слои можно изготавливать точно в необходимом размере и форме, что минимизирует отходы. Ceres Power Ltd. разработала недорогой и низкотемпературный (500–600 °C) стек SOFC с использованием оксида церия гадолиния (CGO) вместо общепринятого в отрасли стабилизированного иттрием диоксида циркония (YSZ), что позволяет использовать нержавеющую сталь для поддержки керамики. Solid Cell Inc. разработала уникальную недорогую архитектуру ячеек, сочетающую свойства плоских и трубчатых конструкций, а также токосъемник из керамического металла, не содержащего хрома. Центр электрохимии высоких температур (HITEC) при Университете Флориды в Гейнсвилле специализируется на изучении ионного транспорта, электрокаталитических явлений и микроструктурной характеристики ионно-проводящих материалов. SiEnergy Systems, компания, выделившаяся из Гарвардского университета, продемонстрировала первый макромасштабный тонкопленочный твердооксидный топливный элемент, способный работать при 500 °C.

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.

Государственная корпорация

Твердооксидный электролизерный элемент (SOEC) – это твердооксидный топливный элемент, работающий в регенеративном режиме для электролиза воды с использованием твердооксидного или керамического электролита, что позволяет получать кислород и водород. SOEC также могут применяться для электролиза углекислого газа с целью получения монооксида углерода и кислорода, или даже для совместного электролиза воды и углекислого газа для производства синтез-газа и кислорода.

ITSOFC

SOFC, работающие в промежуточном температурном диапазоне (IT), то есть между 600 и 800 °C, называются ITSOFC. В связи с высокой скоростью деградации и стоимостью материалов при температурах выше 900 °C, экономически целесообразнее эксплуатировать SOFC при более низких температурах. В настоящее время значительные исследования и разработки направлены на создание высокоэффективных ITSOFC. Одним из направлений исследований является материал катода. Считается, что реакция восстановления кислорода вносит существенный вклад в снижение производительности, поэтому изучается и повышается каталитическая активность катода с использованием различных методов, включая пропитку катализаторами. Исследования NdCrO3 показали его потенциал в качестве материала для катода ITSOFC благодаря его термохимической стабильности в заданном температурном диапазоне. Другим направлением является разработка материалов для электролита. Для повышения конкурентоспособности SOFC на рынке ITSOFC стремятся к снижению рабочей температуры за счет использования альтернативных новых материалов. Однако эффективность и стабильность этих материалов ограничивают их применимость. Одним из вариантов новых материалов для электролита являются керамические композиты солей церия (CSC). Двухфазные электролиты CSC, такие как GDC (церий, легированный гадолинием) и SDC (церий, легированный самарием) MCO3 (M=Li, Na, K, отдельные или смеси карбонатов), могут достигать плотности мощности 300–800 мВт*см−2.

LT-SOFC

Низкотемпературные твердооксидные топливные элементы (LT SOFC), работающие при температуре ниже 650 °C, представляют значительный интерес для дальнейших исследований, поскольку именно высокая рабочая температура в настоящее время является ограничивающим фактором для разработки и внедрения SOFC. Низкотемпературный SOFC более надежен благодаря меньшему тепловому расширению и упрощенной герметизации. Кроме того, более низкая температура требует меньшего количества теплоизоляции, что снижает стоимость. Затраты также уменьшаются за счет расширенного выбора материалов для межсоединений и компрессионных нестеклянных/керамических уплотнений. Возможно, что самое важное – при более низкой температуре SOFC можно запускать быстрее и с меньшими энергозатратами, что делает их пригодными для портативных и переносных устройств. По мере снижения температуры максимальная теоретическая эффективность топливного элемента увеличивается, в отличие от цикла Карно. Например, максимальная теоретическая эффективность SOFC, использующего CO в качестве топлива, возрастает с 63% при 900 °C до 81% при 350 °C. Это проблема, связанная с материалами, в частности с электролитом в SOFC. YSZ является наиболее распространенным электролитом из-за его превосходной стабильности, несмотря на то, что он не обладает самой высокой проводимостью. В настоящее время толщина электролитов YSZ составляет не менее ~10 мкм из-за используемых методов нанесения покрытий, что требует температуры выше 700 °C. Следовательно, низкотемпературные SOFC возможны только при использовании электролитов с более высокой проводимостью. К различным альтернативам, которые могут быть успешными при низких температурах, относятся гадолиний-допированный церий (GDC) и эрбий-катионно стабилизированный висмут (ERB). Они обладают превосходной ионной проводимостью при более низких температурах, но это достигается за счет снижения термодинамической стабильности. Электролиты CeO2 становятся электронно проводящими, а электролиты Bi2O3 разлагаются до металлического Bi в восстановительной топливной среде. Для решения этой проблемы исследователи разработали функционально градированный двуслойный электролит из оксида церия/висмута, в котором слой GDC на анодной стороне защищает слой ESB от разложения, а слой ESB на катодной стороне блокирует утечку тока через слой GDC. Это обеспечивает почти теоретический потенциал разомкнутой цепи (OPC) с использованием двух высокопроводящих электролитов, которые по отдельности не были бы достаточно стабильны для данного применения. Этот двуслойный электролит показал стабильность в течение 1400 часов испытаний при 500 °C и не продемонстрировал признаков образования межфазных соединений или теплового расширения. Это является шагом вперед в снижении рабочей температуры SOFC, а также открывает возможности для будущих исследований, направленных на понимание этого механизма. Исследователи из Технологического института Джорджии подошли к проблеме нестабильности BaCeO3 другим способом. Они заменили определенную долю Ce в BaCeO3 на Zr, чтобы сформировать твердый раствор, обладающий протонной проводимостью, а также химической и термической стабильностью в диапазоне условий, характерных для работы топливных элементов. Был разработан новый состав Ba(Zr0.1Ce0.7Y0.2)O3 δ (BZCY7), который демонстрирует наивысшую ионную проводимость среди всех известных электролитных материалов для применения в SOFC. Этот электролит был изготовлен методом сухого прессования порошков, что позволило получить пленки без трещин толщиной менее 15 мкм. Внедрение этого простого и экономически эффективного метода изготовления может значительно снизить затраты на производство SOFC. Однако этот электролит работает при более высоких температурах, чем двуслойный электролит, ближе к 600 °C, а не к 500 °C. В настоящее время, учитывая текущее состояние исследований LT SOFC, прогресс в области электролитов принесет наибольшую пользу, но исследования потенциальных анодных и катодных материалов также приведут к полезным результатам и все чаще обсуждаются в научной литературе.

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

Система SOFC GT представляет собой комбинацию твердооксидного топливного элемента и газовой турбины. Такие системы были изучены компаниями Siemens Westinghouse и Rolls Royce как способ повышения эффективности за счет работы SOFC под давлением. Системы SOFC GT обычно включают рециркуляцию анодной и/или катодной атмосферы, что способствует увеличению эффективности. Теоретически, объединение SOFC и газовой турбины может обеспечить высокую общую (электрическую и тепловую) эффективность. Дальнейшее использование SOFC GT в конфигурации комбинированного производства холода, тепла и электроэнергии (или тригенерации) посредством систем HVAC также может потенциально привести к еще более высокой тепловой эффективности в определенных случаях. Важной особенностью представленной гибридной системы является возможность улавливания 100% CO2 при сохранении высокой энергетической эффективности. Эти характеристики, такие как нулевые выбросы CO2 и высокая энергетическая эффективность, делают характеристики электростанции значимыми.