Problemer med sputter? Skyld skylden på gigantiske nanopartikler

Nanopartikler kan i væsentlig grad påvirke ydeevnen og stabiliteten af ​​fastoxidbrændselsceller (SOFC'er). Især tilstedeværelsen af ​​gigantiske nanopartikler kan forårsage det, der er kendt som "sputter-effekten", som fører til et fald i celleydelse over tid.

Her er hvordan gigantiske nanopartikler kan forårsage sputtereffekten i SOFC'er:

1. Dannelse af kæmpe nanopartikler:Under driften af ​​en SOFC reagerer brændstofgassen (normalt brint) med oxygenioner ved anoden for at producere vanddamp og frigive elektroner. Disse elektroner strømmer gennem det eksterne kredsløb og genererer en elektrisk strøm. Men under visse forhold, især ved høje driftstemperaturer, kan anodematerialet (typisk nikkel) begynde at agglomerere og danne gigantiske nanopartikler.

2. Sputtering Process:De gigantiske nanopartikler, der dannes ved anodeoverfladen, udsættes for højtemperaturmiljøet og kan blive meget mobile. Disse nanopartikler kan sputteres eller slynges ud fra anodeoverfladen på grund af kollisioner med højenergigasmolekyler eller ioner til stede i brændstofgassen.

3. Aflejring på katode:De sputterede nanopartikler kan bevæge sig hen over elektrolytten og aflejres på katodeoverfladen. Da katoden normalt er lavet af et porøst materiale, kan nanopartiklerne akkumulere i dens porer, hvilket blokerer det aktive overfladeareal og hindrer iltreduktionsreaktionen.

4. Ydeevneforringelse:Ophobningen af ​​nanopartikler på katodeoverfladen hindrer iltstrømmen til katodens aktive steder. Som et resultat falder iltreduktionsreaktionshastigheden, hvilket fører til en reduktion i den samlede celleydelse. Dette fænomen ses almindeligvis som et spændingsfald over tid i SOFC'er.

5. Øget cellemodstand:Tilstedeværelsen af ​​nanopartikler på katodeoverfladen øger også cellens indre modstand. Dette skyldes, at nanopartiklerne fungerer som barrierer, der hindrer overførslen af ​​elektroner og ioner mellem katoden og elektrolytten. Den øgede modstand bidrager yderligere til faldet i celleydelse.

6. Langtidsstabilitet:Sputtereffekten forårsaget af gigantiske nanopartikler kan have en betydelig indvirkning på den langsigtede stabilitet og holdbarhed af SOFC'er. Længerevarende udsættelse for høje temperaturer og brændstofgas kan fremskynde dannelsen og sputteren af ​​nanopartikler, hvilket fører til en gradvis forringelse af cellens ydeevne over tid.

At minimere dannelsen og påvirkningen af ​​gigantiske nanopartikler er en nøgleudfordring i udviklingen af ​​højtydende og holdbare SOFC'er. Forskellige strategier, såsom optimering af anodemikrostrukturen, ændring af brændstofsammensætningen og inkorporering af nanopartikelbegrænsende teknikker, er blevet undersøgt for at adressere sputtereffekten og forbedre den overordnede ydeevne og stabilitet af SOFC'er.