Πιθανές τεχνικές ανίχνευσης για μελλοντικό σύστημα παροχής ενέργειας-κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου (SOFC)

Επί του παρόντος, μια ολοκαίνουργια παγκόσμια συναίνεση σχηματίζεται σταδιακά:η ενέργεια του υδρογόνου λειτουργεί ως διαδραστικός σύνδεσμος μεταξύ μιας ποικιλίας ενεργειακών συστημάτων και αποτελεί τον πυρήνα των μελλοντικών ενεργειακών συστημάτων χαμηλής έκλυσης άνθρακα. Αταλάντευτα, η ανάπτυξη καθαρής ανανεώσιμης ενέργειας έχει μακροπρόθεσμο αντίκτυπο στη βελτιστοποίηση της παγκόσμιας υποδομής κατανάλωσης ενέργειας, η οποία είναι μια επίμονη κινητήρια δύναμη προς την εξοικονόμηση ενέργειας και τη μείωση των εκπομπών.

Ως δυνητικό σύστημα καθαρής ενέργειας, μια κυψέλη καυσίμου μπορεί να μετατρέψει απευθείας την απελευθερωμένη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια για διαφορετικό σκοπό από τη χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας. Σε αντίθεση με το παραδοσιακό σύστημα παραγωγής εσωτερικής καύσης (π.χ. γεννήτρια εμβόλου ντίζελ, κ.λπ.), η χημική ενέργεια που απελευθερώνεται λαμβάνεται από αντιδράσεις ηλεκτροκαταλυτικής αναγωγής-οξείδωσης (οξειδοαναγωγής).

Επιπλέον, οι κυψέλες καυσίμου εμφανίζουν μηδενικές εκπομπές σε σύγκριση με τις επιβλαβείς εκπομπές NO_x ή SO_x από την καύση παραδοσιακών συστημάτων βενζίνης ή άνθρακα. Ως εκ τούτου, δείχνει πιθανή υπεροχή σε σχέση με τη συμβατική ενεργειακή τεχνολογία τόσο στην απόδοση μετατροπής όσο και στην περιβαλλοντική ευεργεσία.

Σήμερα, η αντικατάσταση οποιουδήποτε κυρίαρχου ενεργειακού συστήματος δεν είναι πλέον τόσο απλή όσο η αλλαγή του αρχικού μηχανισμού επιλογής καυσίμου ή παραγωγής ενέργειας, πρέπει επίσης να λαμβάνεται υπόψη η αναβάθμιση της συνολικής υποδομής για μεταφορά και εφαρμογές. Λόγω αυτών των σοβαρών προβλημάτων ισχύος, σε καμία περίπτωση δεν είναι τυχαία, οι κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου (SOFCs) έχουν προκύψει ως ανταγωνιστικοί υποψήφιοι στην οικογένεια κυψελών καυσίμου, επειδή δεν υπάρχει ανάγκη για λειτουργία φόρτισης ή εκκίνησης για την επίτευξη υψηλής ενεργειακής απόδοσης (εύκολα επίπεδα έως 40~60% ή και 70%). Δεν ακολουθούν απαραίτητα τον παραδοσιακό Θερμοδυναμικό Νόμο Κύκλου Carnot και βασίζονται μόνο σε μια γρήγορη αντίδραση οξειδοαναγωγής που τροφοδοτείται κυρίως από το O_2, ένας οξειδωτικός παράγοντας.

Εάν συνδυαστεί με ένα σύστημα μεταφοράς θερμότητας για συμπαραγωγή θερμότητας-ηλεκτρικής ενέργειας, η απόδοση μετατροπής ενέργειας μπορεί να αυξηθεί περαιτέρω έως και 85%. Αυτά τα χαρακτηριστικά εδραιώνουν τη σημαντική θέση των SOFC στην παγκόσμια αγορά ενέργειας. Μέχρι το 2017, η παγκόσμια αγορά για τα SOFC έφθασε περίπου τα 403,4 εκατομμύρια δολάρια, με μια εξαιρετικά γρήγορη επέκταση σε 1,1 δισεκατομμύρια παγκόσμιες μερίδες αγοράς που αναμένεται το 2025.

Εκτός από την παροχή ενέργειας για καθημερινή κατανάλωση, τα βιοκυκλοφορούντα αναγεννητικά SOFC στο σύστημα μπορούν πράγματι να χρησιμεύσουν ως ενσωματωμένες ηλεκτροπαραγωγές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για εφαρμογή στην αεροδιαστημική βιομηχανία. Πρόσφατα, έχει προταθεί η εφαρμογή SOFC στα αεροσκάφη εξερεύνησης του διαστήματος της Κίνας που ονομάζεται "Lunar-Palace-One-Project ". Τα SOFC επιλέχθηκαν λόγω της ικανότητάς τους να παρέχουν βέλτιστα αρκετή ενέργεια για τις ανάγκες διαβίωσης των αστροναυτών στο ακραίο περιβάλλον της Σελήνης και την πρόσθετη παραγωγή νερού και θερμότητας υψηλής ποιότητας για την υποστήριξη ενός βιολογικού εσωτερικού συστήματος ανακύκλωσης.

Γρήγοροι αγωγοί ιόντων

Οι ηλεκτρολύτες, ως το βασικό συστατικό των SOFC, θα πρέπει να διασφαλίζουν γρήγορη μεταφορά ιόντων με ηλεκτρονική μόνωση, η οποία μπορεί να μειώσει την απώλεια τάσης και να καθορίσει την ηλεκτρική απόδοση. Συμβατικά, αυτό συνήθως μπορούσε να διασφαλιστεί μόνο για SOFC σε υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας άνω των 800°C. Επομένως, για να ξεπεράσουμε το πρόβλημα της συμφόρησης της υψηλής θερμοκρασίας εργασίας και του αντίστοιχου υψηλού κόστους για την επίτευξη ευρύτερης εφαρμογής και περαιτέρω ανάπτυξης των SOFC, εστιάζουμε στο βασικό μέρος της τεχνολογίας - τους ηλεκτρολύτες.

Ως βασικό χαρακτηριστικό της κρυσταλλικής δομής σε οποιοδήποτε υλικό, τα φυσικά ελαττώματα, ειδικά ο θερμικά οδηγούμενος σχηματισμός ζευγών ανιόντων Frenkel (a-Fr), πιστεύεται ότι είναι η έναρξη της αγωγιμότητας ιόντων. Η προηγούμενη εργασία μας σε έναν άλλο υποψήφιο ηλεκτρολύτη, τον La₂ Hf₂ O_7, έχει επίσης αποδείξει μια τέτοια προοπτική. Ωστόσο, μόνο με ορισμένες ποσότητες ζευγών a-Fr που σχηματίζονται σε ένα πλέγμα, θα μπορούσε να ανιχνευθεί η αγωγιμότητα των ιόντων με εξοπλισμό. Εδώ, αναφέρουμε μια νέα μέθοδο φωταύγειας in-situ και χωρίς επαφή ως έναν νέο αξιόπιστο τρόπο παρακολούθησης της πλήρους διαδικασίας σχηματισμού ζευγών a-Fr και αγωγιμότητας ιόντων με τη χρήση υπολογισμών της συναρτησιακής θεωρίας πυκνότητας (DFT). Αυτό είναι σημαντικό για την πλήρη κατανόηση του μηχανισμού αγωγιμότητας ιόντων και θα ωφελήσει περαιτέρω τις ιδιότητες ελέγχου των υλικών για την επίτευξη υψηλής αγωγιμότητας σε χαμηλή θερμοκρασία.

Στην αναζήτηση κατάλληλων υλικών ηλεκτρολυτών για SOFC χαμηλής θερμοκρασίας, εμπνευστήκαμε από το La₂ Mo₂ O₉ (μια άμορφη ένωση οξειδίου με μάλλον υψηλή αγωγιμότητα ιόντων Ο), η οποία βρέθηκε ότι είναι ένας γρήγορος αγωγός ιόντων το 2001. Σε αυτή την εργασία, δίνουμε μια ξεχωριστή και συμπληρωματική προοπτική για την εμπλεκόμενη αλληλεπίδραση μεταξύ του θερμικού αγωγού που σχηματίζεται Ζεύγος a-Fr (φυσικός διαλυτοποιητής) και Bi dopant (ανταγωνιστικός αναστολέας) στο La₂ Mo₂ O₉ παράγωγα.

Ελαττώματα Anion Frenkel με Dopants

Στους υπολογισμούς DFT, το ενεργειακό κόστος σχηματισμού ελαττωμάτων a-Fr σε διαφορετική θέση του La₂ Mo₂ O₉ έχει υπολογιστεί σε σύγκριση με τα μοντέλα του Bi-doped La₂ Mo₂ O₉ . Αυτά τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι με την υιοθέτηση προσμίξεων στην κρυσταλλική δομή, το ενεργειακό κόστος σχηματισμού των ελαττωμάτων a-Fr έχει αυξηθεί σημαντικά. Αντίθετα, οι δυσκολίες υιοθέτησης Bi στο υλικό θα μειωθούν με την ύπαρξη ελαττωμάτων a-Fr. Με άλλα λόγια, η αλληλεπίδραση μεταξύ ελαττωμάτων a-Fr και προσμείξεων ατόμων Bi έδειξε μια σχέση «φυσικών διαλυτοποιητών» και «ανταγωνιστικών αναστολέων», αντίστοιχα.

Κατά συνέπεια, τα Bi dopants καταστέλλουν σε μεγάλο βαθμό τον σχηματισμό ελαττωμάτων a-Fr στην κρυσταλλική δομή μέχρι τα όρια ντόπινγκ. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ότι καθώς η συγκέντρωση του προσμίκτη Bi αυξάνεται σε ένα ορισμένο σημείο, η αγωγιμότητα των ιόντων θα σταματήσει να αυξάνεται ή ακόμη και να αρχίσει να μειώνεται επειδή ο σχηματισμός των ζευγών a-Fr έχει κατασταλεί σε μεγάλο βαθμό. Τα πειράματα φωταύγειας μετατροπής με βάση τις σπάνιες γαίες (UC) απέδειξαν επίσης ότι αυτές οι συμπεριφορές αγωγιμότητας ιόντων αλλάζουν ανάλογα με τη συγκέντρωση των Bi-dopants. Μια εναλλαγή στην αγωγιμότητα των ιόντων έχει παρατηρηθεί σε δείγμα χαμηλής συγκέντρωσης Bi προσμίκτη στους 150 ºC, η οποία είναι σύμφωνη με τον υπολογισμό μας για τη θερμοκρασία έναρξης σχηματισμού a-Fr.

Καθώς η ερευνητική μας ομάδα προχωρά σε αυτόν τον τομέα, σχεδιάζουμε να πραγματοποιήσουμε μια μελέτη παρακολούθησης σχετικά με την εφαρμογή μιας τέτοιας μεθόδου για τον έλεγχο περισσότερων πιθανών υποψήφιων υλικών για SOFC χαμηλής θερμοκρασίας. Μακροπρόθεσμα, η δημιουργία συστηματικών παραμέτρων υπολογισμού για τον έλεγχο υλικών θα είναι πολύ επείγουσα και επωφελής για τη διερεύνηση ενεργειακών υλικών.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Ανίχνευση αγωγιμότητας οξειδίου-ιόντος σε SOFC χαμηλής θερμοκρασίας, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Nano Energy , ένα ακαδημαϊκό περιοδικό υψηλής απήχησης. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Mingzi Sun και τον Δρ. Bolong Huang από το Πολυτεχνείο του Χονγκ Κονγκ, σε συνεργασία με τους Qian He, Qinyuan Zhang, Shi Ye από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Νότιας Κίνας και Xiaojun Kuang από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Guilin.