Anyagok vékonyrétegű SOFC-khez

Meenakshi Hardi, Ph.D.

Bevezetés

A tüzelőanyag-cellák földgáz, hidrogén vagy más tüzelőanyagok oxidációjával termelnek villamos energiát. A szilárdoxid-üzemanyagcellák (SOFC) az elektródák között elhelyezkedő, oxidiont vezető szilárd oxidot használják elektrolitként. Az anód és a katód jellemzően jó elektron- és ionvezető képességű porózus kerámia kompozitokból áll. Az anód és a katód katalizátorként szolgál az üzemanyag oxidációjához, illetve az oxigén redukciójához. Az ideális elektrolitok sűrűek és túlnyomórészt ionvezetők, például ittrium-stabilizált cirkónium-dioxid (YSZ)  (Prod. No. 572349).¹ A szilárd elektrolit használata a SOFC-kben egyértelmű előnyöket kínál a folyékony elektrolitokkal kapcsolatos korróziós és elektrolitkezelési problémák hiánya miatt. A SOFC-technológiát az energiatermelési alkalmazások széles skálájára fejlesztették ki, például a járművek segédhajtóműveihez és a helyhez kötött energiatermeléshez, a több száz wattos teljesítménytől a megawattosig terjedő teljesítményig. E technológia vonzereje abban rejlik, hogy különféle tüzelőanyagokból hatékonyan és tisztán állít elő villamos energiát. Az SOFC-k magas üzemi hőmérsékletei alkalmassá teszik őket arra is, hogy hőmotoros energia-visszanyerő berendezésekkel vagy kapcsolt hő- és villamosenergia-rendszerekkel együtt alkalmazzák őket, ezáltal tovább növelve az üzemanyag teljes hatékonyságát.

A SOFC-k üzemi hőmérsékletének csökkentése

A tömeges kerámia elektrolitok használata a szabványos SOFC-kben általában >700 ^oC hőmérsékleten történő üzemeltetést igényel a megfelelő ionvezetőképesség eléréséhez. Ezek a magas hőmérsékleti követelmények megnövelik az indítási időt, nagy stabilitási követelményeket támasztanak az anyagokkal szemben, és a nagy helyhez kötött forrásokra korlátozzák alkalmazásukat. Ezért a kutatási erőfeszítések a SOFC-k működési hőmérsékletének 600 ^oC alá csökkentésére összpontosítanak. Ezeket az alacsonyabb hőmérsékletű eszközöket nevezik köztes hőmérsékletű SOFC-knek (IT-SOFC-k). Az alacsonyabb üzemi hőmérséklet elérése a magas energiaátalakítási hatásfok fenntartása mellett nemcsak a közlekedési és hordozható energiatermelésre terjeszti ki a lehetséges alkalmazásokat, hanem lehetővé teszi az olcsóbb fém összeköttetések használatát, csökkenti a hőterhelést és az indítási időt. A csökkentett hőmérsékletek azonban az iontranszport termikusan aktivált viselkedése miatt keletkező elektrolit ohmos ellenállási veszteségek növekedéséhez is vezetnek.^2-4

Az alacsonyabb üzemi hőmérsékletekkel járó teljesítményveszteségeket az elektrolit vastagságának csökkentésével lehet kompenzálni (1. ábra). Az elektrolit vékonyrétegei a meglévő anyagoknál ezt a problémát azáltal segítik megoldani, hogy

• csökkentik az oxigénionok utazási távolságát és az elektrolit ellenállását, mivel az ellenállás fordítottan arányos a vezető hosszával;
• olyan szemcseszerkezeteket állítanak elő, amelyek kevésbé ellenállóak, mint például az oszlopos szemcseszerkezet;
• a vékonyrétegek nanokristályos mikroszerkezetének szabályozása, ami lehetővé teszi az elektromos vezetőképesség finomhangolását; és
• nagy határfelületi területű rétegek előállítása, mivel a teljesítménykibocsátás szintén arányos a határfelületi területtel.

1. ábra. A vékonyrétegű szilárdoxid-tüzelőanyagcella (TF-SOFC) sematikus ábrája

A vékony elektrolitrétegek leválasztása

A vékony elektrolitrétegekkel működő SOFC-ket gyakran nevezik vékonyrétegű szilárdoxid-üzemanyagcelláknak (TF-SOFC). Az elektrolit vékonyrétegeknek folyamatosnak és repedésmentesnek kell lenniük a gázszivárgás megakadályozása érdekében, és két pórusos elektróda között kell nyugodniuk, amelyeken keresztül a gázok szabadon áramolhatnak az elektród-elektrolit határfelület közelében zajló elektrokémiai reakciók aktív helyeihez vagy azoktól távolodhatnak el.

A TF-SOFC-k gyártásához 100-1000 nm vastagságú elektrolit vékonyrétegek leválasztására van szükség (1. ábra). A vékonyréteg-leválasztás eléréséhez különböző technológiák, mint a kémiai gőz- vagy atomréteg-leválasztás (CVD/ALD), elektrokémiai gőzleválasztás, különböző porlasztásos vagy fizikai gőzleválasztási (PVD) eljárások ionnyaláb, magnetron, elektronsugár stb. alkalmazásával, tintasugaras nyomtatás, valamint szol-gél eljárás is alkalmazható. A megfelelő vékonyréteg-leválasztási technika kiválasztását nagyban befolyásolja a leválasztandó anyag és a kívánt filmminőség.^3-4

A vékonyréteg-leválasztásra rendelkezésre álló különböző módszerek közül a CVD/ALD és a PVD (porlasztásos) módszerek a két leggyakrabban alkalmazott technika az elektrolit vékonyrétegek leválasztására. A CVD-vel sűrű elektrolit vékonyrétegek alakíthatók ki mérsékelt hőmérsékleten, miközben a filmek egyenletessége és nagy tisztasága megmarad. Például az ittrium-stabilizált cirkónium-dioxid (YSZ) még mindig az egyik leggyakrabban használt elektrolit a SOFC-kben. Az YSZ vékonyrétegeket ALD-módszerrel lehet leválasztani a standard ZrO₂ és Y₂O₃ filmleválasztási eljárások váltakozó ciklusaival vagy a kívánt arányú Zr/Y impulzus alkalmazásával. Konkrétabban, 7-8 mol% ittrium-dioxidot tartalmazó YSZ-filmek gyárthatók hét cirkónium-dioxid réteg egymás utáni lerakásával a tetrakisz(dimetilamido)cirkónium prekurzorból (Prod. No. 579211) és egy réteg ittrium-dioxidot tris(ciklopentadienil)ittrium prekurzorból (Prod. No. 491969).^4-6

A másik széles körben alkalmazott vékonyréteg-leválasztási technika a szputterezés. A leválasztási paraméterek, például a gáznyomás, a leválasztási teljesítmény és sebesség, a szubsztráthőmérséklet és a porlasztási idő beállításával különböző morfológiák, köztük teljesen sűrű és erősen porózus filmek állíthatók elő. Különböző porozitású Y/Zr filmeket lehet leválasztani egyenáramú porlasztással a Y-Zr ötvözetből készült porlasztó céltárgyak (Prod. No. 774057) egyenáramú porlasztásával, valamint a leválasztási sebesség és az argonnyomás beállításával. Az Y/Zr filmek ezután dobozkemencében oxidálhatók levegőn történő hosszabb ideig tartó melegítéssel, hogy a megfelelő oxid (YSZ) filmek alakuljanak ki. Alternatívaként YSZ filmeket lehet előállítani RF magnetron porlasztással is YSZ targetek (Prod. No. 774049).⁷

(Prod. No. 774049).

Hivatkozások

1. Ormerod N. 2003. Augustine and the Trinity: Whose Crisis?. Pacifica. 16(1):17-32. https://doi.org/10.1177/1030570x0301600102

2. Litzelman SJ, Hertz JL, Jung W, Tuller HL. 2008. Opportunities and Challenges in Materials Development for Thin Film Solid Oxide Fuel Cells. Fuel Cells. 8(5):294-302. https://doi.org/10.1002/fuce.200800034

3. Beckel D, Bieberle-Hütter A, Harvey A, Infortuna A, Muecke U, Prestat M, Rupp J, Gauckler L. 2007. Thin films for micro solid oxide fuel cells. Journal of Power Sources. 173(1):325-345. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2007.04.070

4. Elam JW, Dasgupta NP, Prinz FB. 2011. ALD for clean energy conversion, utilization, and storage. MRS Bull.. 36(11):899-906. https://doi.org/10.1557/mrs.2011.265

5. Menzler NH, Han F, Gestel TV, Schafbauer W, Schulze-Kuppers F, Baumann S, Uhlenbruck S, Meulenberg W, Blum L, Buchkremer H. 2013. Int. J. Appl. Cer. Technol.. 1

6. Chao C, Hsu C, Cui Y, Prinz FB. 2011. Improved Solid Oxide Fuel Cell Performance with Nanostructured Electrolytes. ACS Nano. 5(7):5692-5696. https://doi.org/10.1021/nn201354p

7. Hill T, Huang H. 2011. Int. J. Electrochem.. Article ID 479203..