ogniwa paliwowe tlenkowe (sofc)

Ogniwa paliwowe Ogniwa paliwowe tlenkowe (SOFC)tlenkowe (SOFC)

Tadeusz MiruszewskiTadeusz Miruszewski

Wydział FTiMSWydział FTiMS

Plan prezentacjiPlan prezentacji Abstrakt na temat SOFCAbstrakt na temat SOFC Krótka historia i pierwsze ogniwaKrótka historia i pierwsze ogniwa Elektryczny opis ogniwaElektryczny opis ogniwa Teoria materiałów elektrodowych i elektrolitówTeoria materiałów elektrodowych i elektrolitów 1.1.KATODAKATODA - właściwości, opis z punktu widzenia fizyki ciała stałego, mechanizm doprowadzenia - właściwości, opis z punktu widzenia fizyki ciała stałego, mechanizm doprowadzenia

tlenu i przejścia przez katode, wybrane przykłady materiałówtlenu i przejścia przez katode, wybrane przykłady materiałów 2.2.ANODAANODA – właściwości, wytwarzanie laboratoryjne, opis z punktu widzenia fizyki ciała stałego, – właściwości, wytwarzanie laboratoryjne, opis z punktu widzenia fizyki ciała stałego,

ciekawe zagadnienia, wybrane przykłady materiałówciekawe zagadnienia, wybrane przykłady materiałów 3.3.ELEKTROLIT ELEKTROLIT - właściwości, opis z punktu widzenia fizyki ciała stałego, mechanizm - właściwości, opis z punktu widzenia fizyki ciała stałego, mechanizm

domieszkowania, wybrane przykłady materiałów z opisemdomieszkowania, wybrane przykłady materiałów z opisem

Właściwości fizykochemiczne i matematyczne funkcje Właściwości fizykochemiczne i matematyczne funkcje materiałów w ogniwach SOFC (podsumowanie elektrod i materiałów w ogniwach SOFC (podsumowanie elektrod i elektrolitu)elektrolitu)

Nowe potencjalne materiały anodowe, katodowe i elektrolitoweNowe potencjalne materiały anodowe, katodowe i elektrolitowe Zastosowanie ogniw typu SOFC i TSOFCZastosowanie ogniw typu SOFC i TSOFC BibliografiaBibliografia

Ogniwa paliwowe tlenkowe typu SOFC Ogniwa paliwowe tlenkowe typu SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)(Solid Oxide Fuel Cell)

ABSTRAKT: ABSTRAKT: Ogniwa tego typu inaczej nazywane są również ogniwami Ogniwa tego typu inaczej nazywane są również ogniwami

paliwowymi z zestalonym elektrolitem tlenkowym (lub stałym paliwowymi z zestalonym elektrolitem tlenkowym (lub stałym tlenkiem).tlenkiem).

Jest to rodzaj wysokotemperaturowego (temperatura pracy Jest to rodzaj wysokotemperaturowego (temperatura pracy waha się między 600-1000 °C) ogniwa, w którym elektrolit waha się między 600-1000 °C) ogniwa, w którym elektrolit ciekły został zastąpiony ceramiczną membraną, która jest ciekły został zastąpiony ceramiczną membraną, która jest dobry przewodnikiem jonów tlenu.dobry przewodnikiem jonów tlenu.

Elektrolitem w tego typu ogniwach jest zazwyczaj warstwa Elektrolitem w tego typu ogniwach jest zazwyczaj warstwa ceramiczna zbudowana z ceramiczna zbudowana z di-tlenku cyrkonu stabilizowanym di-tlenku cyrkonu stabilizowanym tri-tlenkiem di-itrutri-tlenkiem di-itru (o 8-10% stężeniu molowym). Istnieje (o 8-10% stężeniu molowym). Istnieje jednak cała gama elektrolitów stosowanych z SOFC takich, jednak cała gama elektrolitów stosowanych z SOFC takich, materiały o strukturze materiały o strukturze fluorytu, perowskitu, brownmillerytu i fluorytu, perowskitu, brownmillerytu i apatytuapatytu, które opisane będą w kolejnych etapach prezentacji., które opisane będą w kolejnych etapach prezentacji.

Głównym zastosowaniem są stacjonarne elektrownie oraz Głównym zastosowaniem są stacjonarne elektrownie oraz urządzenia typu CHP.urządzenia typu CHP.

Zasada działania ogniwa SOFCZasada działania ogniwa SOFC

eOHsolOH 42.)(22 22

2

Produkt uboczny reakcji

Dostarczane paliwo(gaz ziemny, biogaz, Wodór, czasem C)

Reakcja anodowa:

Następuje utlenienie stałym tlenkiem wodoru na anodzie

Dostarczany tlen

Reakcja na katodzie:

Redukcja tlenu nakatodzie. Powstaje stały tlenek.

.)(24 22 solOeO

Przepływ elektronów z anody do katody

PSWiOP Bulletin, nr4 (2007)

Krótka historia i pierwsze ogniwa SOFCKrótka historia i pierwsze ogniwa SOFC

MRS Bulletin, (2000) 25

Elektryczny opis ogniwa SOFCElektryczny opis ogniwa SOFC

Równanie Kirchoffa opisujące każde ogniwo:Równanie Kirchoffa opisujące każde ogniwo:

(1)(1)

,gdzie E – SEM całkowite ogniwa (będzie opisane za chwile) ,gdzie E – SEM całkowite ogniwa (będzie opisane za chwile)

RRint int – – opór wewnętrzny ogniwa (opór elektrolitu +opór kontaktów opór wewnętrzny ogniwa (opór elektrolitu +opór kontaktów

elektroda/elektrolit)elektroda/elektrolit)

Rozwiązując równanie (1) otrzymujemy moc maksymalną Rozwiązując równanie (1) otrzymujemy moc maksymalną ogniwa:ogniwa:

int2RIIEP

int

2

4R

EP

Charakterystyka ogniwa SOFC z różnymi elektrolitamiCharakterystyka ogniwa SOFC z różnymi elektrolitami


Charakterystyka ogniwa SOFC w różnych Charakterystyka ogniwa SOFC w różnych temperaturachtemperaturach

N.Q. Minh / Solid State Ionics 174 (2004) 271–277

Znajdźmy teraz wyrażenia na SEM ogniwa, Znajdźmy teraz wyrażenia na SEM ogniwa, jego sprawność i maksymalne napięcie.jego sprawność i maksymalne napięcie.

Niech cząstkowe, nerstowskie SEM dla elektrod oraz Niech cząstkowe, nerstowskie SEM dla elektrod oraz nerstowski SEM produktów wynoszą:nerstowski SEM produktów wynoszą:

oraz zdefiniujmy sobie wielkości: Eoraz zdefiniujmy sobie wielkości: Ec, c, EEa, a, EEV-B, V-B, EEohm ohm

Wtedy SEM ogniwa definiujemy jako:Wtedy SEM ogniwa definiujemy jako:

)ln(4 2

2

Op

Op

F

RTE

anoda

katoda

o )ln(

2 2

2

Hp

Hp

F

RTE

anoda

katoda

H

])()[(2 ohmBVacooOHHHH

O EEEEEtEtEtEE

)ln(2 2

22 OHp

OHp

F

RTE

anoda

katoda

OH

1 OHOtherFuell ttt

Współczynnik innego paliwa np. węgla

W. Zhu et al. / Materials Research Bulletin 41 (2006) 2057–2064

Całkowitą sprawność ogniwa definiujemy jako:Całkowitą sprawność ogniwa definiujemy jako:

,gdzie U to… no właśnie, co to jest? Zaraz wyjaśnimy.,gdzie U to… no właśnie, co to jest? Zaraz wyjaśnimy.

a Ua Uth th jest tzw. napięciem termicznym zależnym od temperaturyjest tzw. napięciem termicznym zależnym od temperatury

Maksymalne napięcie możliwe do uzyskania w ogniwie:Maksymalne napięcie możliwe do uzyskania w ogniwie:

F

HU th 2

min2

min2max 1

)1(

HH

ooHHH

pt

EtEptU

thf U

U

Beata Riegel,Maciej Stodólny, G.Kwiatkowski, Seminarium SOFC, konf.Kraków 2007

Dodatek: Czym są perowskity?Dodatek: Czym są perowskity?

Perowskitami nazywamy rodzinę krysta-licznych ceramik. Zostały odkryte w 1830 roku na bazie minerału CaTiO3 przez rosyjskiego mineraloga Perowski’ego.Perowskity wykazują budowę sześcienną(rys 1). Są kryształami jonowymi.

Wzór ogólny : ABO3

A,B- kationy, gdzieA- kationy 2+ (Np. Ca, Sr, La, Ce)B-kationy 4+ (Np. Ti, Cr, Mn, Fe)

Rys. 1.

Teoria materiałów elektrodowych i Teoria materiałów elektrodowych i elektrolitowychelektrolitowych

Właściwości katody (na przykładzie LSM)Właściwości katody (na przykładzie LSM) -Są to tlenki typu Ln-Są to tlenki typu Ln1-x1-xSrSrxxMOMO3-y3-y ,gdzie ,gdzie

Ln=lantanowce, M=Mn, Fe, Co, Ni o strukturze Ln=lantanowce, M=Mn, Fe, Co, Ni o strukturze perowskituperowskitu lub innym, które są dobrymi lub innym, które są dobrymi elektronowymi lub jonowo-elektronowymi elektronowymi lub jonowo-elektronowymi przewodnikami. Przewodnictwo jonowe materiału przewodnikami. Przewodnictwo jonowe materiału tego typu wywołane jest przez tzw. wakansy tlenowe tego typu wywołane jest przez tzw. wakansy tlenowe (w skrócie: niestechiometria w podsieci tlenu), (w skrócie: niestechiometria w podsieci tlenu), natomiast przewodnictwo elektronowe zależy od natomiast przewodnictwo elektronowe zależy od ilości i rodzaju domieszek (promienia domieszki ilości i rodzaju domieszek (promienia domieszki głównie) oraz również niestechiometrii tlenowej.głównie) oraz również niestechiometrii tlenowej.

Podobny do półprzewodnika typu Podobny do półprzewodnika typu pp

Ma konstrukcje porowatąMa konstrukcje porowatą Dla x=0,1-0,3 mamy najwyższe Dla x=0,1-0,3 mamy najwyższe

przewodnictwo i w miare dobre przewodnictwo i w miare dobre właściwości mechaniczne (tabela właściwości mechaniczne (tabela obok)obok)

Przewodnictwo elektronowe katod Przewodnictwo elektronowe katod waha się od 40 do 500 S/cm w waha się od 40 do 500 S/cm w temperaturze 800-1000 °C, a temperaturze 800-1000 °C, a jonowe od 1-5 jonowe od 1-5 μμS/cm w S/cm w temperaturze 850-1000 temperaturze 850-1000 °C°C

Gęstość mocy to około 170-200 Gęstość mocy to około 170-200 mW/cm^2 w temperaturze 750 °CmW/cm^2 w temperaturze 750 °C

Gęstość prądu około 610 Gęstość prądu około 610 mA/cm^2 w 750 °CmA/cm^2 w 750 °C

Perowskit jako katoda pełni rolę Perowskit jako katoda pełni rolę katalizatora w reakcji redukcji katalizatora w reakcji redukcji tlenu.tlenu.

Przewodzi poprzez:Przewodzi poprzez: a) operacje na orbitalach tlen-metal a) operacje na orbitalach tlen-metal b) wakansy w podsieci tlenowejb) wakansy w podsieci tlenowej

J Mater Sci (2008) 43:6799–6833

Mechanizm procesów katodowychMechanizm procesów katodowych

T. Horita et al. / Journal of Power Sources 106 (2002) 224–230

Tlen gazowy!

Tlen stały!


xo

KOads

adsK

ads

adsK

g

OeVO

OO

OcaO

cba

dyf

ads

,,2:3

:2

2.).(2:1 )(2

Katoda typu LSM (niestety przewodzi jedynie elektronowo )

Katoda typu LSCFN ( jest jak nieorganiczny kameleon)


)()(

)()(

)(2

.:4

:3

.).(2:2

2.).(2:1

elektrolitx

oK

katodax

o

katodax

oK

katodax

o

xo

KOads

adsK

g

OO

OO

caOeVO

OcaO

stykowymater

dyf

a

ads

WNIOSEK: WNIOSEK: Dla ogniw IT-SOFC najlepszym wyjściem okazuje się zastosowanie tlenków Dla ogniw IT-SOFC najlepszym wyjściem okazuje się zastosowanie tlenków perowskitowych o koszmarnie skomplikowanej strukturze i składzie chemicznym.perowskitowych o koszmarnie skomplikowanej strukturze i składzie chemicznym.

Perowskity typu Perowskity typu LSM (LnLSM (Ln1-x1-xSrSrxxMOMO3-y3-y)) (najpopularniejsze) (najpopularniejsze) Perowskity z grupy Perowskity z grupy LSCFN (LaLSCFN (La1-x1-xSrSrxxCoCo1-y1-yFeFeyyNiONiO3-z3-z)) (drogie (drogie ) ) (charakteryzują się dużą podatnością na modyfikacje struktury, co daje pole manewru)(charakteryzują się dużą podatnością na modyfikacje struktury, co daje pole manewru) Tlenki perowskitu Tlenki perowskitu LnLn1-x1-xSrSrxxCoCo1-y1-yFeFeyyOO3 3

,gdzie Ln – np. La, Sm, Nd, Gd, Dy,gdzie Ln – np. La, Sm, Nd, Gd, Dy Tlenki perowskitu Tlenki perowskitu LnLn1-x1-xAAxxMM1-y1-yMnMnyyOO33

,gdzie Ln – np. La, Nd, Pr ; A- np. Ca,Sr; M- inny metal niż mangan),gdzie Ln – np. La, Nd, Pr ; A- np. Ca,Sr; M- inny metal niż mangan) Związek Związek LaNiLaNi0,60,6FeFe0,40,4OO33 (uzyskane jest wysokie przewodnictwo elektryczne i niski współczynnik rozszerzalności (uzyskane jest wysokie przewodnictwo elektryczne i niski współczynnik rozszerzalności

temperaturowej zarazem) temperaturowej zarazem)

Przykłady materiałów katodowychPrzykłady materiałów katodowych

J Mater Sci (2008) 43:6799–6833

Przykład materiału porowatego

Materiał anodowy

Główne właściwości :

--Do produkcji anody stosuje się głównie cermet na bazie niklu (Ni) Do produkcji anody stosuje się głównie cermet na bazie niklu (Ni) lub cermet typu Ni/YSZ (yttrium-stabilized zirconia) ,czyli di-tlenek lub cermet typu Ni/YSZ (yttrium-stabilized zirconia) ,czyli di-tlenek cyrkonu stabilizowany itrem z domieszkowanym niklem.cyrkonu stabilizowany itrem z domieszkowanym niklem. Można Można zastosować również związki Ni/Ce(Sm,Gd)Ozastosować również związki Ni/Ce(Sm,Gd)O22 ,które są również ,które są również dobrymi przewodnikami jonowo-elektronowymi. Przewodnictwo dobrymi przewodnikami jonowo-elektronowymi. Przewodnictwo jonowe związane jest tutaj z wakansami tlenowymi w YSZ lub w jonowe związane jest tutaj z wakansami tlenowymi w YSZ lub w Ce(Gd,Sm)OCe(Gd,Sm)O22 , natomiast przewodnictwo elektronowe wynika z , natomiast przewodnictwo elektronowe wynika z trzydziesto procentowej wagowej zawartości niklu metalicznego w trzydziesto procentowej wagowej zawartości niklu metalicznego w materiale anodowym.materiale anodowym.

-Nikiel jest tu katalizatorem reakcji utlenienia (dzięki redukcyjnej -Nikiel jest tu katalizatorem reakcji utlenienia (dzięki redukcyjnej atmosferze).atmosferze).

-Jest kompatybilny z elektrolitem i innymi składowymi -Jest kompatybilny z elektrolitem i innymi składowymi ogniwa.ogniwa.

Przewodnictwo jonowe Ni/8YSZ waha Przewodnictwo jonowe Ni/8YSZ waha się w okolicach 0,16 S/cm, a się w okolicach 0,16 S/cm, a elektronowe wynosi około 900 S/cm w elektronowe wynosi około 900 S/cm w temperaturach od 600-900 °C.temperaturach od 600-900 °C.

Potencjał anody to okolo200mV w Potencjał anody to okolo200mV w gęstości prądu 200mA/cm^2 (w gęstości prądu 200mA/cm^2 (w temperaturze 900 °C.temperaturze 900 °C.

Gęstość mocy waha się między 230-500 Gęstość mocy waha się między 230-500 mW/cm^2 w temperaturach 800-900 °C mW/cm^2 w temperaturach 800-900 °C (po redukcji w środowisku wodorowym)(po redukcji w środowisku wodorowym)

Ma silnie porowatą strukturęMa silnie porowatą strukturę Doskonale na anodę nadają się Doskonale na anodę nadają się

perowskity (LSC i LSCM)perowskity (LSC i LSCM) Odpowiednie proporcje między Ni/YSZ Odpowiednie proporcje między Ni/YSZ

np. 31:69 prowadzą do odpowiednio np. 31:69 prowadzą do odpowiednio wysokiego przewodnictwa wysokiego przewodnictwa F.H. Wang et al. / Materials Letters 58 (2004) 3079–3083

Styk trzech faz (TPB)Styk trzech faz (TPB)

C. Sun, U. Stimming / Journal of Power Sources 171 (2007) 247–260

Mechanizm procesów anodowychMechanizm procesów anodowych


Niemieszany typ przewodnictwa anody (tylko elektronowy):


Mieszany typ przewodnictwa:

Przemysłowe/laboratoryjne wytwarzanie Przemysłowe/laboratoryjne wytwarzanie materiałów anodowychmateriałów anodowych

San Ping Jiang/Journal of Material Science/39 (2004) 4405 – 4439

Przykłady materiałów anodowychPrzykłady materiałów anodowych

WNIOSEK: Generalnie poszukujemy nowe materiały anodowe typu cermet lub WNIOSEK: Generalnie poszukujemy nowe materiały anodowe typu cermet lub tlenki perowskitów.tlenki perowskitów.

Cermet Cu/CeOCermet Cu/CeO2 2 ,Cu/CeO ,Cu/CeO22/YSZ/YSZ (wykazuje on znacznie lepszą efektywność w utlenianiu wyższych węglowodorów, jest (wykazuje on znacznie lepszą efektywność w utlenianiu wyższych węglowodorów, jest

mniej aktywny w kierunku krakowania węglowodorów)mniej aktywny w kierunku krakowania węglowodorów) Perowskity LaPerowskity La1-x1-xSrSrxxCrOCrO33 (wykazują również jonowo-elektronowy typ przewodnictwa, niezbędny dla materiału (wykazują również jonowo-elektronowy typ przewodnictwa, niezbędny dla materiału

anodowego)anodowego) Perowskity LaPerowskity La1-x1-xSrSrxxCrCr1-y1-yMMyyOO3 3

(podstawienie chromu innymi metalami modyfikuje pozytywnie właściwości transportowe (podstawienie chromu innymi metalami modyfikuje pozytywnie właściwości transportowe i katalityczne)i katalityczne)

**Specjalistyczne materiały ceramiczne typu STO (Specjalistyczne materiały ceramiczne typu STO (strontium titanate oxide) doskonale zapobiegające stratom omowym!zapobiegające stratom omowym!

J. Qiao et al. / Journal of Power Sources 169 (2007) 253–258

(3-8)YSZ

Ni

Ni/8YSZ w stosunku 30:70

Materiał elektrolitowyMateriał elektrolitowy

--To silnie gazoszczelny, wytrzymały mechanicznie spiek ceramiczny To silnie gazoszczelny, wytrzymały mechanicznie spiek ceramiczny zabezpieczający ogniwo przed bezprodukcyjnym spalaniem paliwa. zabezpieczający ogniwo przed bezprodukcyjnym spalaniem paliwa.

Powinien on wykazywać czysto jonowe przewodnictwo rzędu 0,1-0,2 [S/cm].Powinien on wykazywać czysto jonowe przewodnictwo rzędu 0,1-0,2 [S/cm]. Przewodnictwo to powinno wykazywać się w szerokim zakresie ciśnień tlenu Przewodnictwo to powinno wykazywać się w szerokim zakresie ciśnień tlenu

(1-10^-20 atmosfer fizycznych), gdyż styka się z atmosfera utleniającą od (1-10^-20 atmosfer fizycznych), gdyż styka się z atmosfera utleniającą od strony katody oraz z atmosferą redukującą paliwo na anodzie.strony katody oraz z atmosferą redukującą paliwo na anodzie.

-Typy materiałów elektrolitowych: -Typy materiałów elektrolitowych: 1.oparte na ZrO1.oparte na ZrO22 (cyrkon stabilizowany itrem)(cyrkon stabilizowany itrem)

2.oparte na CeO2.oparte na CeO22 (ditlenek ceru – fluoryty)(ditlenek ceru – fluoryty)

3.oparte na Bi3.oparte na Bi22OO33 (brak zastosowania w dużych T)(brak zastosowania w dużych T)

4.oparte na LaGaO4.oparte na LaGaO33 (galan lantanu –perowskit)(galan lantanu –perowskit)

Nie znaleziono do tej pory materiału elektrolitowego, który by spełniał wszystkie Nie znaleziono do tej pory materiału elektrolitowego, który by spełniał wszystkie

warunki pracy w temperaturach 600-800 °C !!! Ale nauka idzie do przodu…warunki pracy w temperaturach 600-800 °C !!! Ale nauka idzie do przodu…

Najpopularniejszy z elektrolitów – 8YSZ – Najpopularniejszy z elektrolitów – 8YSZ – krótki opis teoretycznykrótki opis teoretyczny

Sam tlenek cyrkonu (fluoryt) wykazuje przewodnictwo bardziej elektronowe niż Sam tlenek cyrkonu (fluoryt) wykazuje przewodnictwo bardziej elektronowe niż jonowe, wiec nie zachowuje się jak elektrolit stały.jonowe, wiec nie zachowuje się jak elektrolit stały.

Ponadto jego polimorficzne zmiany są tu problematyczne.Ponadto jego polimorficzne zmiany są tu problematyczne. Promień jonowy Zr 4+ wpływa na stabilność kryształu i jego przewodnictwo jonowe.Promień jonowy Zr 4+ wpływa na stabilność kryształu i jego przewodnictwo jonowe. Wprowadzając do ZrOWprowadzając do ZrO2 2 YY22OO3 3 (8%) robimy to według zależności:(8%) robimy to według zależności:

Domieszkowanie Y właśnie 8% znacznie poprawiło właściwość termiczną (TEC). i Domieszkowanie Y właśnie 8% znacznie poprawiło właściwość termiczną (TEC). i przewodnictwo jonoweprzewodnictwo jonowe

xoOZr

ZrO OVYOY '2232

N. SAMMES, Y. DU, INTERMEDIATE-TEMPERATURE SOFCELECTROLYTES,2009

Wpływ rdom (promienia domieszki) na przewodnictwo jonowe ZrO2


2-2,5% 2-2,5% faza tetragonalna faza tetragonalna

8%8% faza kubiczna faza kubiczna Przewodnictwo jonowe wynosi około 0,14-0,18 S/cm w Przewodnictwo jonowe wynosi około 0,14-0,18 S/cm w

temperaturze 1000°C, a 0,0052 S/cm w temp. 800°C. temperaturze 1000°C, a 0,0052 S/cm w temp. 800°C.

Przewodnictwo elektronowe bardzo niskie, bliskie zeru.Przewodnictwo elektronowe bardzo niskie, bliskie zeru. Gęstości prądu dochodzą do 0.5 mA/cm^2 (zazwyczaj Gęstości prądu dochodzą do 0.5 mA/cm^2 (zazwyczaj

210mA/cm^2), gęstości mocy210mA/cm^2), gęstości mocy to około 100-150mW/cm^2.to około 100-150mW/cm^2.

M. Han et al. / Journal of Power Sources 165 (2007) 757–763

Źródło: artykuł „Wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe” ,Janina Molenda ,AGH

Wybrane elektrolity w funkcji temperatury i przewodnictwa elektrycznego

Nowe materiały elektrolitoweNowe materiały elektrolitoweCo chcemy osiągnąć?Co chcemy osiągnąć? Mamy na celu znalezienie elektrolitu, który wykazuje wysokie przewodnictwo Mamy na celu znalezienie elektrolitu, który wykazuje wysokie przewodnictwo

jonowe jonów tlenu przy stosunkowo niskiej temperaturze pracy ogniwa.jonowe jonów tlenu przy stosunkowo niskiej temperaturze pracy ogniwa.

Propozycje:Propozycje: Apatyty AApatyty A1010(MO(MO44)O)O2-y 2-y ,gdzie A = jony rzadkich ziem lub alkalicznych ziem,,gdzie A = jony rzadkich ziem lub alkalicznych ziem, M = Si, Ge, P, V)M = Si, Ge, P, V) Z tej grupy największe przewodnictwo posiada LaZ tej grupy największe przewodnictwo posiada La1010(SiO(SiO44))66OO2-y 2-y . . Jest to około 0,0108 S/cm w temperaturze 700 °C. Jest to około 0,0108 S/cm w temperaturze 700 °C. Brownmilleryt BaBrownmilleryt Ba22InIn22OO55

Po domieszkowaniu tego związku barem lub indem można by było Po domieszkowaniu tego związku barem lub indem można by było uzyskać bezkonkurencyjne przewodnictwo jonowe wśród elektrolitów w uzyskać bezkonkurencyjne przewodnictwo jonowe wśród elektrolitów w odpowiednio niskiej temperaturze pracy ogniwa SOFC.odpowiednio niskiej temperaturze pracy ogniwa SOFC.

Mikrostruktura YSZMikrostruktura YSZ

M. Han et al. / Journal of Power Sources 165 (2007) 757–763

Both pict.: M. Han et al. / Journal of Power Sources 165 (2007) 757–763

1450°C°C

1500°C°C

Źródło: artukuł „Wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe”Janina Molenda ,AGH

Właściwości fizykochemiczne w ogniwach SOFC Właściwości fizykochemiczne w ogniwach SOFC (podsumowanie elektrod i elektrolitu(podsumowanie elektrod i elektrolitu))

Matematyczne podsumowanie ogniw SOFC

Fuel Cell Handbook(Fifth Edition)

Nowe potencjalne materiały anodowe, katodowe Nowe potencjalne materiały anodowe, katodowe i elektrolitowe-rozwóji elektrolitowe-rozwój

Cel? Cel? Znalezienie nowych materiałów elektrodowych i Znalezienie nowych materiałów elektrodowych i

elektrolitowych, które wykazują się przewodnictwem jonowym elektrolitowych, które wykazują się przewodnictwem jonowym tlenu rzędu 1/10 S/cm, a zarazem pracują w temperaturze około tlenu rzędu 1/10 S/cm, a zarazem pracują w temperaturze około 600-650 °C. 600-650 °C.

Jakie są strategie rozwoju?Jakie są strategie rozwoju? Opracowanie tlenowego elektrolitu stałego na bazie perowskituOpracowanie tlenowego elektrolitu stałego na bazie perowskitu Rozwój zjawiska transportu jonowo-elektronowego w Rozwój zjawiska transportu jonowo-elektronowego w

ceramikachceramikach Zastosowanie nanomateriałów i nanotechnologiiZastosowanie nanomateriałów i nanotechnologii Niskotemperaturowe metody do otrzymywania tworzyw Niskotemperaturowe metody do otrzymywania tworzyw

ceramicznychceramicznych **Jednokomorowe ogniwo paliwoweJednokomorowe ogniwo paliwowe

Ciekawostka: koncepcja ogniwa Ciekawostka: koncepcja ogniwa jednokomorowegojednokomorowego

Zaproponowana została przez Zaproponowana została przez T.HibinoT.Hibino, rozwiązuje wiele , rozwiązuje wiele dotychczasowych trudnych problemów dla ogniw. dotychczasowych trudnych problemów dla ogniw.

Katoda i anoda (dwie elektrody o różnych właściwościach Katoda i anoda (dwie elektrody o różnych właściwościach elektrokatalitycznych dla wodoru i tlenu) elektrokatalitycznych dla wodoru i tlenu) umieszczone są we wspólnej umieszczone są we wspólnej przestrzeniprzestrzeni wypełnionej gazową mieszaniną utleniacza i paliwa. wypełnionej gazową mieszaniną utleniacza i paliwa.

Optymalna temperatura pracy tego ogniwa to 600 °C.Optymalna temperatura pracy tego ogniwa to 600 °C. Dotychczas stosowane materiały katodowe i anodowe mogą być Dotychczas stosowane materiały katodowe i anodowe mogą być

stosowane również w ogniwach jednokomorowych.stosowane również w ogniwach jednokomorowych. Elektrolit może posiadać porowatość!Elektrolit może posiadać porowatość!

http://www.joecell.pl/

oneroomcell.http

Wady i zalety ogniwa jednokomorowegoWady i zalety ogniwa jednokomorowegoZalety:Zalety: Znika problem oddzielenia paliwa od utleniacza (ten sam skład)Znika problem oddzielenia paliwa od utleniacza (ten sam skład) Elektrolit nie musi być gazoszczelnyElektrolit nie musi być gazoszczelny Możliwość miniaturyzacji i dopasowania do celów przemysłuMożliwość miniaturyzacji i dopasowania do celów przemysłu Istnieje łatwość uszczelniania ogniwaIstnieje łatwość uszczelniania ogniwa

Wady:Wady: Reakcje uboczne obniżają sprawność ogniwaReakcje uboczne obniżają sprawność ogniwa Mieszanina paliwa i utleniacza może być niebezpiecznaMieszanina paliwa i utleniacza może być niebezpieczna Efektywność działania niższa niż dla konwencjonalnych ogniwEfektywność działania niższa niż dla konwencjonalnych ogniw Powinno być tylko elementem układu hybrydowego Powinno być tylko elementem układu hybrydowego

(np. ogniwo+ pewien wymiennik ciepła) (np. ogniwo+ pewien wymiennik ciepła)

Zastosowanie ogniw SOFCZastosowanie ogniw SOFC Instalacje 200kW-5MW (CHP).Instalacje 200kW-5MW (CHP). Elektrownie stacjonarne.Elektrownie stacjonarne. Urządzenia badawcze w instytutach naukowych i placówkach Urządzenia badawcze w instytutach naukowych i placówkach

badawczych.badawczych. Jednostkowe malutkie baterie 20W:Jednostkowe malutkie baterie 20W:


•System o bardzo małej mocy 500W:System o bardzo małej mocy 500W:


Średnie systemy pozyskiwania mocy 5kW (je się łączy w stosy):Średnie systemy pozyskiwania mocy 5kW (je się łączy w stosy):


Większy system mocy ponad 230kW:Większy system mocy ponad 230kW:

http://www.mif.pg.gda.pl/homepages/maria/pdf/MF9_07_4.pdf

Większe systemy mocy c.d. 220kW Większe systemy mocy c.d. 220kW (lewa)/250kW (prawa) :(lewa)/250kW (prawa) :

Beata Riegel,Maciej Stodólny, G.Kwiatkowski, Seminarium SOFC, konf.Kraków 2007

Przenośny system SOFC:Przenośny system SOFC:


Tworzywo bipolarne do SOFC planarnych

N.Q. Minh / Solid State Ionics 174 (2004) 271–277 274

Tubowe SOFC (TSOFC)Tubowe SOFC (TSOFC)

http://www.ogniwa-paliwowe.ovh.org/sofc.php

Fuel Cell Technology Handbook, Hoogers

G., , CRC Press, London 2003

Fuel Cell Handbook(Fifth Edition)

BibliografiaBibliografia1. N.Q. Minh, "Ceramic Fuel Cells," J. Am. Ceram. Soc., p. 76 [3]563-88, 1. N.Q. Minh, "Ceramic Fuel Cells," J. Am. Ceram. Soc., p. 76 [3]563-88, 2. Teruhisa Horitaa,*, Katsuhiko Yamajia, Natsuko Sakaia, Yueping Xionga,2. Teruhisa Horitaa,*, Katsuhiko Yamajia, Natsuko Sakaia, Yueping Xionga, Tohru Katoa, Harumi Yokokawaa, Tatsuya Kawadab, SOFC cathode/electrolyteTohru Katoa, Harumi Yokokawaa, Tatsuya Kawadab, SOFC cathode/electrolyte Interfaces,2008Interfaces,20083. Materials Research Bulletin 41 (2006) 2057–2064, Science Direct3. Materials Research Bulletin 41 (2006) 2057–2064, Science Direct4. San Ping Jiang, J Mater Sci (2008) 43:6799–68334. San Ping Jiang, J Mater Sci (2008) 43:6799–68335. A.J. Appleby, F.R. Foulker, Fuel Cell Handbook, Van Norstand5. A.J. Appleby, F.R. Foulker, Fuel Cell Handbook, Van Norstand Reinhold, New York, 1989.Reinhold, New York, 1989.6. Fuel Cell Handbook (Seventh Edition), Eg&G Services Parsons Inc., Science Application International Corporation, U.S. 6. Fuel Cell Handbook (Seventh Edition), Eg&G Services Parsons Inc., Science Application International Corporation, U.S.

Department of Energy, Morgatown, 2004Department of Energy, Morgatown, 2004

7. T.-D. Chung et al. / Applied Thermal Engineering 28 (2008) 933–9417. T.-D. Chung et al. / Applied Thermal Engineering 28 (2008) 933–9418. Hideto Koide , Yoshiyuki Someya , Properties of Ni/YSZ cermet as anode for SOFC8. Hideto Koide , Yoshiyuki Someya , Properties of Ni/YSZ cermet as anode for SOFC9. X. Mantzouris, G. Triantafyllou, F. Tietz ,P. Nikolopoulos9. X. Mantzouris, G. Triantafyllou, F. Tietz ,P. Nikolopoulos P. Kountouros, R. F6rthmann, A. Naoumidis, G. Stochnioi and E. Syskakis, Synthesis, Forming and Characterization of P. Kountouros, R. F6rthmann, A. Naoumidis, G. Stochnioi and E. Syskakis, Synthesis, Forming and Characterization of

Ceramic MaterialsCeramic Materials10. S.C. Singhal, K. Kendall, High Temperature Solid Oxide Fuel Cells:Elsevier, 200310. S.C. Singhal, K. Kendall, High Temperature Solid Oxide Fuel Cells:Elsevier, 200311. SAN PING JIANG, SIEW HWA CHAN, A review of anode materials development in solid oxide fuel cells, Science Direct 11. SAN PING JIANG, SIEW HWA CHAN, A review of anode materials development in solid oxide fuel cells, Science Direct

2007200712. N. SAMMES, Y. DU, INTERMEDIATE-TEMPERATURE SOFC ELECTROLYTES, 200812. N. SAMMES, Y. DU, INTERMEDIATE-TEMPERATURE SOFC ELECTROLYTES, 200813. Etsell, T.H., and Flengas, Chem. Rev., (1970) 70, 339.13. Etsell, T.H., and Flengas, Chem. Rev., (1970) 70, 339.

14. Biuletyny Polskiego Stowarzyszenia Wodoru i Ogniw Paliwowych, rocznik nr 2,4,6,7,8 14. Biuletyny Polskiego Stowarzyszenia Wodoru i Ogniw Paliwowych, rocznik nr 2,4,6,7,8 2007-20102007-2010

15. T.Chmielniak, „Ogniwa paliwowe w układach energetycznych małej mocy”, 200315. T.Chmielniak, „Ogniwa paliwowe w układach energetycznych małej mocy”, 200316. B.Riegel, M.Stodólny, G.Kwiatkowski, „Materiały perowskitowe jako anody 16. B.Riegel, M.Stodólny, G.Kwiatkowski, „Materiały perowskitowe jako anody

tlenkowych ogniw paliwowych SOFC”tlenkowych ogniw paliwowych SOFC”17. Michał Bieniek, „Ogniwa paliwowe – seminarium Studenckiego Koła Naukowego”, 17. Michał Bieniek, „Ogniwa paliwowe – seminarium Studenckiego Koła Naukowego”,

2005/20072005/200718. http://hydrogen.edu.pl18. http://hydrogen.edu.pl19. The fuel cell way page: http://fcway.com19. The fuel cell way page: http://fcway.com20. Jerzy Dereń, Jerzy Haber, Roman Pampuch, Chemia ciała stałego, 20. Jerzy Dereń, Jerzy Haber, Roman Pampuch, Chemia ciała stałego,

Wydawnictwo: PWN, 1979Wydawnictwo: PWN, 197921. Tadeusz Miruszewski, „Perowskity” ,Praca zaliczeniowa-Fizyka Materiałów21. Tadeusz Miruszewski, „Perowskity” ,Praca zaliczeniowa-Fizyka Materiałów

22. http://www.ogniwa-paliwowe.ovh.org/sofc.php22. http://www.ogniwa-paliwowe.ovh.org/sofc.php

ogniwa paliwowe tlenkowe (sofc)

Documents