Conductividad del electrolito de SOFC: YSZ frente a ScSZ
Siete cifras de conductividad reportadas para 8YSZ, 11ScSZ y 10Sc1CeSZ, cada una representada con la temperatura, la atmósfera y la ruta de densificación con la que se midió. Los rangos se dibujan como rangos y se mantiene el estudio en el que el 8YSZ superó al grado estabilizado con escandia, porque una sola línea por material sería la respuesta equivocada a esta pregunta.
Conductividad reportada frente a la temperatura de medición
Cuatro temperaturas de medición discretas, tomadas de varios estudios. Nada está conectado, ajustado ni promediado: cada marca es una cifra reportada o un rango reportado, en las condiciones que indica su fuente. Apunte a una marca, o desplácese hasta ella con el teclado, para leer sus condiciones completas.
- 8YSZ
- 11ScSZ / 10Sc1CeSZ
- Rango reportado — los dos extremos son valores reportados
- Densificación no convencional (sinterizado por plasma de chispa)
- *
- En un estudio el 10Sc1CeSZ midió 0.019–0.046 S/cm a 600 °C mientras que el 8YSZ midió 0.059 S/cm en el mismo trabajo, así que el 8YSZ quedó por encima de todo el rango de escandia, y el resultado de escandia varió más de un factor de dos con el polvo de partida. La ventaja intrínseca de un material puede quedar borrada por completo por el procesado, y por eso esta cifra permanece en el gráfico en lugar de promediarse hasta desaparecer.
- SPS
- La cifra de 0.134 S/cm a 800 °C se alcanzó por sinterización por plasma de chispa. Se dibuja como marcador hueco y se mantiene fuera del rango sinterizado convencionalmente que tiene al lado, porque una ruta de densificación no convencional no es una comparación equivalente con una pastilla sinterizada convencionalmente.
En este gráfico no hay temperatura de cruce, y es deliberado. Ninguna línea une las marcas y el eje de temperatura no es continuo, así que no hay punto de cruce que leer. Nuestra comparativa es explícita en que no existe una temperatura de cruce única y en que cualquier cifra citada sin el espesor del electrolito y la arquitectura de la celda es engañosa. Use en su lugar el cálculo de ASR de abajo.
La dispersión es procesado, no química. La conductividad reportada del 8YSZ a 800 °C abarca aproximadamente de 0.02 a 0.134 S/cm, y casi toda esa dispersión es densificación, tamaño de grano y química de borde de grano, no composición. Una cifra de un artículo frente a una cifra de otro dice muy poco; solo lo dicen las medidas emparejadas sobre muestras procesadas de forma comparable.
Los datos representados
Las mismas siete cifras como tabla, para que cada valor y cada condición se puedan leer sin apuntar a nada y sin JavaScript.
| Material | Conductividad reportada | Temperatura | Atmósfera o base | Densificación | Qué matiza la cifra |
|---|---|---|---|---|---|
| 8YSZ | ~0.1 S/cm | 1000 °C | Aire | Ruta de densificación no indicada | La fuente cita esta cifra como aproximada. |
| 8YSZ | 78 mS/cm = 0.078 S/cm | 850 °C | Aire | Ruta de densificación no indicada | Medido frente al otro material en el mismo estudio. |
| 11ScSZ | 108 mS/cm = 0.108 S/cm | 850 °C | Aire | Ruta de densificación no indicada | Medido frente al otro material en el mismo estudio. |
| 8YSZ | ~0.02–0.045 S/cm | 800 °C | Aire | Sinterizado convencional | Reportado como rango; la dispersión refleja el procesado, no la química. La fuente cita esta cifra como aproximada. |
| 8YSZ | 0.134 S/cm | 800 °C | Aire | Sinterizado por plasma de chispa | Valor atípico por densificación no convencional: no es comparable con las cifras sinterizadas convencionalmente y no se integra en su rango. |
| 10Sc1CeSZ | 0.019–0.046 S/cm | 600 °C | Conductividad total | Ruta de densificación no indicada | Medido frente al otro material en el mismo estudio. Varió más de un factor de dos con el polvo de partida. |
| 8YSZ | 0.059 S/cm | 600 °C | Conductividad total | Ruta de densificación no indicada | Contraejemplo: aquí el 8YSZ midió por encima del grado estabilizado con escandia. Medido frente al otro material en el mismo estudio. |
Cada cifra está transcrita de la tabla comparativa de nuestra guía de YSZ frente a ScSZ, que cita la literatura subyacente. Dos filas se reportaron en milisiemens por centímetro y se muestran en las dos unidades; nada más se ha convertido, redondeado ni combinado.
Qué conductividad exige su espesor
La pérdida óhmica a través del electrolito la fija su resistencia específica por área, y ASR = L/σ ata espesor y conductividad. Un objetivo de electrolito citado con frecuencia es 0.15 Ω·cm². Introduzca el espesor que impone la arquitectura de su celda y lea la conductividad que entonces tiene que medir a su temperatura de operación.
Las celdas soportadas en ánodo funcionan aproximadamente entre 5 y 15 µm, y se han demostrado 3 µm por pulverización con magnetrón. Las capas soportadas en electrolito van desde unos 75 µm hasta varios cientos, con 200–350 µm como banda habitual.
0.15 Ω·cm² es el objetivo de electrolito citado con frecuencia. Cámbielo si su presupuesto de pérdidas está escrito de otra manera.
Espesores de la guía
- Conductividad requerida a la temperatura de operación
- ≥ 0.100 S/cm
A partir de ASR = L/σ, para 150 µm dentro de un presupuesto de 0.15 Ω·cm². Es un requisito sobre una medición y no sobre un material: la misma composición cae a los dos lados según cómo se haya fabricado.
Cómo quedan frente a él las cifras reportadas
Cada cifra reportada, y el espesor que soportaría dentro de su presupuesto. Un rango que cruza el requisito se marca como que lo cumple en parte, porque eso es lo que dicen los datos.
8YSZ ~0.1 S/cm — Cumple el requisito
1000 °C · Aire · Ruta de densificación no indicada · soporta 150 µm con este presupuesto
La fuente cita esta cifra como aproximada.
8YSZ 0.078 S/cm — Por debajo del requisito
850 °C · Aire · Ruta de densificación no indicada · soporta 117 µm con este presupuesto
Medido frente al otro material en el mismo estudio.
11ScSZ 0.108 S/cm — Cumple el requisito
850 °C · Aire · Ruta de densificación no indicada · soporta 162 µm con este presupuesto
Medido frente al otro material en el mismo estudio.
8YSZ ~0.02–0.045 S/cm — Por debajo del requisito
800 °C · Aire · Sinterizado convencional · soporta 30–68 µm con este presupuesto
Reportado como rango; la dispersión refleja el procesado, no la química. La fuente cita esta cifra como aproximada.
8YSZ 0.134 S/cm — Cumple el requisito
800 °C · Aire · Sinterizado por plasma de chispa · soporta 201 µm con este presupuesto
Valor atípico por densificación no convencional: no es comparable con las cifras sinterizadas convencionalmente y no se integra en su rango.
10Sc1CeSZ 0.019–0.046 S/cm — Por debajo del requisito
600 °C · Conductividad total · Ruta de densificación no indicada · soporta 28–69 µm con este presupuesto
Medido frente al otro material en el mismo estudio. Varió más de un factor de dos con el polvo de partida.
8YSZ 0.059 S/cm — Por debajo del requisito
600 °C · Conductividad total · Ruta de densificación no indicada · soporta 88 µm con este presupuesto
Contraejemplo: aquí el 8YSZ midió por encima del grado estabilizado con escandia. Medido frente al otro material en el mismo estudio.
La línea para su especificación
Escrita como una medición que hay que hacer y no como un material que hay que comprar. Péguela en un plan de cualificación o en una solicitud de cotización.
Electrolyte ASR budget 0.15 Ω·cm² at 150 µm → required ionic conductivity ≥ 0.100 S/cm (ASR = L/σ). To be verified at the operating temperature on identically processed pellets of each candidate powder, not from literature values.No lleve estas cifras a un cálculo de diseño. Cada cifra de aquí es la pastilla de otra persona. Mida la conductividad en sus propias muestras, a su temperatura de operación, en la atmósfera relevante, sobre muestras procesadas de forma idéntica de cada polvo candidato, y vuelva a medir después del envejecimiento, porque se ha reportado que la conductividad del 8YSZ cae aproximadamente un 40% tras 1,000 horas de recocido a 1000 °C.
El ScSZ puro tiene una transición dentro de la ventana de temperatura intermedia. La circonia estabilizada con escandia sufre una transición cúbica a romboédrica (fase β) en torno a 650 °C que reduce la conductividad, precisamente donde se adoptaría el ScSZ para ganarla. Suprimir esa transición es la razón de que existan los grados codopados como el 10Sc1CeSZ, así que una cifra medida sobre ScSZ puro cerca de 650 °C no se transfiere a un grado codopado, ni al contrario.