Toepassing en voordelen van nikkelschuim in vaste-oxidebrandstofcellen (SOFC)

Toepassing en voordelen van nikkelschuim in vaste-oxidebrandstofcellen (SOFC).

Laten we eerst eens kijken wat vaste-oxidebrandstofcellen (SOFC) zijn. Vaste-oxidebrandstofcellen (SOFC), ook bekend als all-vaste-brandstofcellen of keramische brandstofcellen, zijn apparaten die brandstofchemische energie rechtstreeks omzetten in elektrische energie door middel van elektrochemische reacties. In tegenstelling tot andere soorten brandstofcellen is SOFC niet afhankelijk van edelmetaalkatalysatoren om elektrochemische reacties te bevorderen, wat tot op zekere hoogte de afhankelijkheid van zeldzame metalen vermindert en de kosten verlaagt.

SOFC heeft veel kernvoordelen, waardoor het een hot topic is op energiegebied:

Vanuit het werkingsprincipe is SOFC het "omgekeerde proces" van waterelektrolyse. Tijdens het proces van waterelektrolyse wordt water ontleed in waterstof en zuurstof; in SOFC vindt de brandstofoxidatiereactie plaats aan de anode, vindt de oxidatiereactie plaats aan de kathode en worden ionen door de elektrolyt geleid om elektrische energie en warmte-energie te genereren. Concreet wordt de brandstof (zoals waterstof) geoxideerd aan de anode, waarbij elektronen en protonen (of ionen) vrijkomen; zuurstof wordt gereduceerd tot zuurstofionen aan de kathode, en de zuurstofionen migreren naar de anode via de vaste oxide-elektrolyt, reagerend met de brandstof om water of andere producten te genereren, terwijl elektronen door het externe circuit stromen om stroom te vormen en de output van elektrische energie te realiseren.
Door het werkingsprincipe kunnen we de toepassing en voordelen van nikkelschuim als volgt begrijpen:
1. Anodemateriaal of anodesteun
-De drie- poreuze structuur van nikkelschuim kan worden gebruikt als anodesubstraat, waardoor een hoog specifiek oppervlak ontstaat, het aantal actieve reactieplaatsen wordt vergroot en de oxidatiereactie van brandstoffen (zoals waterstof of methaan) wordt bevorderd. Vergeleken met traditionele Ni-YSZ-anodes kan de hoge geleidbaarheid de ohmse verliezen verminderen en de elektronische geleidingsefficiëntie verbeteren.
2. Stroomafnemer
-Als stroomcollector aan de anodezijde zorgt de poreuze structuur van nikkelschuim ervoor dat gas vrij kan diffunderen, terwijl de stroom efficiënt wordt verzameld, waardoor de grensvlakcontactweerstand wordt verminderd en de prestaties van de batterij worden geoptimaliseerd.
3. Metalen draagstructuur
- Omdat het skelet van metaal-de SOFC ondersteunt, kan de hoge mechanische sterkte en thermische schokbestendigheid van nikkelschuim de duurzaamheid van de batterij verbeteren, dunnere elektrolytlagen ondersteunen, de bedrijfstemperaturen verlagen (zoals 600-800 graden) en de opstarttijd verkorten.
4. Composietelektrodematerialen
- Samengesteld met elektrolytische materialen (zoals YSZ) om een ​​poriënstructuur met meerdere- niveaus te vormen, waardoor de overdracht van brandstof en oxidatiemiddel wordt verbeterd terwijl de katalytische activiteit behouden blijft.
Voordelen
1. Hoge porositeit en gasdiffusiecapaciteit
- De drie- netwerkstructuur (porositeit 70-95%) bevordert een uniforme gasdistributie, vermindert concentratiepolarisatie en verbetert de reactie-efficiëntie.
2. Uitstekende geleidbaarheid
- De geleidbaarheid van puur nikkel is aanzienlijk beter dan die van keramische composieten, waardoor de ohmse polarisatie wordt verminderd en de energieomzettingsefficiëntie wordt verbeterd.
3. Mechanische sterkte en thermische stabiliteit
- De taaiheid van metaalschuim is beter dan die van keramische materialen, het is bestand tegen thermische cycli en mechanische trillingen en is geschikt voor omgevingen met hoge temperaturen (anti-oxidatiebehandeling is vereist).
4. Flexibiliteit bij de productie
-Gemakkelijk te verwerken tot complexe vormen, ondersteunt productie op grote- schaal en kan de productiekosten verlagen.

Natuurlijk zijn er nog andere uitdagingen en voorzorgsmaatregelen.
-Hoge temperatuuroxidatieprobleem: het is noodzakelijk om de oxidatieweerstand te verbeteren door middel van legeringen (zoals het toevoegen van Cr, Al) of coating (zoals YSZ), vooral in een oxiderende atmosfeer.
-Aanpassing van thermische uitzetting: het is noodzakelijk om te coördineren met de thermische uitzettingscoëfficiënt van het elektrolytmateriaal (zoals YSZ, GDC) om grensvlakscheuren te voorkomen.
-Stabiliteit op lange- termijn: het is noodzakelijk om de neiging tot sinteren van nikkel te onderdrukken en de stabiliteit van de poreuze structuur te behouden.
Onderzoek vooruitgang
Onderzoek heeft nikkelschuim onderzocht als anodesubstraat of metalen drager, zoals het vervaardigen van composietelektroden door elektrodepositie of chemische dampafzetting, gecombineerd met traditionele katalytische materialen (zoals Ni-YSZ), die uitstekende prestaties leveren bij het verminderen van de polarisatieweerstand en het verhogen van de vermogensdichtheid. Bij door metaal-ondersteunde SOFC hebben de lichtgewicht en hoge- sterkte-eigenschappen van nikkelschuim veel aandacht getrokken.
Kortom, nikkelschuim heeft een aanzienlijk toepassingspotentieel in SOFC, vooral bij het optimaliseren van gastransmissie, het verbeteren van de geleidbaarheid en mechanische eigenschappen, maar de praktische toepassing ervan moet de problemen van materiaalcompatibiliteit en stabiliteit in omgevingen met hoge temperaturen oplossen.