Nanodeeltjes kunnen de prestaties en stabiliteit van vaste-oxidebrandstofcellen (SOFC's) aanzienlijk beïnvloeden. In het bijzonder kan de aanwezigheid van gigantische nanodeeltjes het zogenaamde ‘sputtereffect’ veroorzaken, wat in de loop van de tijd tot een afname van de celprestaties leidt.

Hier ziet u hoe gigantische nanodeeltjes het sputtereffect in SOFC's kunnen veroorzaken:

1. Vorming van gigantische nanodeeltjes:Tijdens de werking van een SOFC reageert het brandstofgas (meestal waterstof) met zuurstofionen aan de anode om waterdamp te produceren en elektronen vrij te geven. Deze elektronen stromen door het externe circuit en genereren een elektrische stroom. Onder bepaalde omstandigheden, vooral bij hoge bedrijfstemperaturen, kan het anodemateriaal (meestal nikkel) echter gaan agglomereren en gigantische nanodeeltjes vormen.

2. Sputterproces:De gigantische nanodeeltjes die aan het anodeoppervlak worden gevormd, worden blootgesteld aan de omgeving met hoge temperaturen en kunnen zeer mobiel worden. Deze nanodeeltjes kunnen van het anodeoppervlak worden gesputterd of uitgeworpen als gevolg van botsingen met hoogenergetische gasmoleculen of ionen die in het brandstofgas aanwezig zijn.

3. Afzetting op kathode:De gesputterde nanodeeltjes kunnen door de elektrolyt reizen en zich op het kathodeoppervlak afzetten. Omdat de kathode meestal van poreus materiaal is gemaakt, kunnen de nanodeeltjes zich in de poriën ophopen, waardoor het actieve oppervlak wordt geblokkeerd en de zuurstofreductiereactie wordt belemmerd.

4. Verslechtering van de prestaties:De ophoping van nanodeeltjes op het kathodeoppervlak belemmert de zuurstofstroom naar de actieve plaatsen van de kathode. Als gevolg hiervan neemt de zuurstofreductiereactiesnelheid af, wat leidt tot een vermindering van de algehele celprestaties. Dit fenomeen wordt vaak waargenomen als een spanningsval in de loop van de tijd in SOFC's.

5. Verhoogde celweerstand:De aanwezigheid van nanodeeltjes op het kathodeoppervlak verhoogt ook de interne weerstand van de cel. Dit komt omdat de nanodeeltjes als barrières fungeren en de overdracht van elektronen en ionen tussen de kathode en de elektrolyt belemmeren. De verhoogde weerstand draagt ​​verder bij aan de afname van de celprestaties.

6. Stabiliteit op lange termijn:Het sputtereffect veroorzaakt door gigantische nanodeeltjes kan een aanzienlijke impact hebben op de stabiliteit en duurzaamheid van SOFC's op de lange termijn. Langdurige blootstelling aan hoge temperaturen en brandstofgas kan de vorming en het sputteren van nanodeeltjes versnellen, wat in de loop van de tijd tot een geleidelijke verslechtering van de celprestaties leidt.

Het minimaliseren van de vorming en impact van gigantische nanodeeltjes is een belangrijke uitdaging bij de ontwikkeling van krachtige en duurzame SOFC's. Verschillende strategieën, zoals het optimaliseren van de anodemicrostructuur, het wijzigen van de brandstofsamenstelling en het integreren van technieken voor het beperken van nanodeeltjes, zijn onderzocht om het sputtereffect aan te pakken en de algehele prestaties en stabiliteit van SOFC's te verbeteren.