Wykład IX. Ogniwa paliwowe

Transkrypt

1 Wykład IX Ogniwa paliwowe

2 Ogniwo paliwowe Ogniwo paliwowe jest urządzeniem pozwalającym na ciągłą przemianą energii chemicznej paliwa w energię oraz ciepło, tak długo jak, dostarczane jest paliwo i utleniacz 1838-odkrycie przez szwajcarskiego chemika S.F.Schonbeina zasady działania ogniw paliwowych 1839-stworzenie przez walijskiego naukowca, sir Williama Grove pierwszego działającego ogniwa Lata60-te XX wieku pierwsze praktyczne wykorzystanie ogniw paliwowych w czasie programów Sojuz, Apollo, Gemini, Skylab do produkcji energii elektrycznej i wody Specjaliści oceniają, że zastąpienie tradycyjnych metod wytwarzania energii elektrycznej z węgla przez ogniwa paliwowe powinno zmniejszyć emisję: CO 2 o 40-60%, tlenki azotu o 50-90%,

3 Elektroliza wody H 2 O 1/2O 2 + H 2 Energia elektryczna dostarczana G= kj O 2 + H Wymiana energii dla 1 mola wody H= kj bateria Energia z otoczenia T S=48.7 kj Praca na rozprężanie produkowanego gazu p V=3.7 kj

4 Ogniwo paliwowe PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel CellSOFC Solid Oxide Fuel Cell

5 Ogniwa paliwowe termodynamika H 2 (g) + ½O 2 (g) H 2 O(l) Termodynamiczne własności w 1atm, 298K H 2 O 2 H 2 O (l) Entalpia (H) kj/ mol Entropia (S) J/mol K J/mol K J/mol K

6 Ogniwa paliwowe ΔH = ΔH reaction = ΣH products ΣH reactants = (1mol)( kj/ mol ) - (0) = kj ΔS = ΔS reaction ΣS products ΣS reactants = [(1mol)(69.91 J/mol K)] [(1mol)( J/mol K) + (½mol)( J/mol K)] = J/ K G= H-T S G= J-(298K) (-163.2J/K)= J ΔQ = TΔS = (298K)( J/ K ) = kj

7 Rodzaje ogniw paliwowych TYP Elektrolit Efektywność Temp. pracy SOFC ZrO % 800 o C MCFC (Li,K)CO 3 50% 650 o C PAFC H 3 PO 4 40% 200 o C AFC KOH 50-60% 80 o C PEFC mebrana 60% 80 o C polimerowa

8 Rodzaje ogniw paliwowych- przetwarzanie paliwa Paliwa płynne Parowanie Typ ogniwa Paliwa gzowe Wzrost złożoności procesu technologicznego przetwarzania paliwa Spadek efektywności o C Usuwanie siarki o C Konwersja do H 2 i CO Przesunięcie reakcji H 2 i CO Selektywne utlenianie CO <40% H 2 CO 2, H 2 O SOFC Termicznie zintegrowane z reformerem MCFC Termicznie zintegrowane z reformerem PAFC (CO < 5%) PEMFC (CO < 10ppm) o C 650 o C 200 o C 80 o C

9 Alkaliczne ogniwa paliwowe AFC Sprężone paliwo - wodór i tlen Elektrolit wodorotlenek potasu (KOH) Efektywność ~70% Temperatura pracy: 150 C C Moc wyjściowa 300W to 5kW Figure 4 Wymagany czysty wodór + Pt jako katalizator ($$) Wodny roztwór elektrolitu nieszczelności-korozja

10 Ogniwo paliwowe ze stopionym węglanem MCFC Elektrolit stopiony węglan Efektywność 60 80% Temperatura pracy ~650 C Katalizator Nikiel (tani) Do 2 MW Za wysoka temperatura pracy dla wielu zastosowań W czasie reakcji jony węglanowe są konsumowane kompensacja poprzez wprowadzenie CO 2

11 Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell Elektrolit kwas ortofosforowy Efektywność 40 80% Temperatura pracy 150 C C Testowane są jednostki o mocy 11 MW Figure 6 Jako paliwo można używać benzyn (bez siarki) Elektrolit ma właściwości korozyjne Katalizatory platynowe są bardzo drogie

12 Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell Elektrolit - cienki przepuszczalny polimer Efektywność 40 60% Moc kw Figure 7 Temperatura pracy 80 C Elektrolit nie wymaga uszczelnienia i nie pęka Temperatura pracy pozwala na zastosowanie w domach i samochodach Katalizatory platynowe stosowane po obu stronach elektrolitu $$

13 Ogniwa paliwowe ze stałotlenkowym elektrolitem (SOFC) Elektrolit- ceramiczne tlenki metali Efektywność ~60% Temperatura pracy C Moc do 100 kw Figure 8 Wysoka temperatura / katalizatory mogą pochłaniać na elektrodzie wodór z paliwa Wysoka temperatura umożliwia zastosowania ciepła do otrzymywania energii ale ograniczeniem są duże wymiary SOFC Stały elektrolit nie wymaga uszczelnienia ale jest nieodporny na pękanie

14 Zalety Sprawność bezpośredniej konwersji energii chemicznej paliwa w energię elektryczną nie podlega ograniczeniu wynikającemu z teorii silników cieplnych Wysoka sprawność produkcji energii elektrycznej Możliwość stosowania różnych rodzajów paliw Technologia bezpieczna dla środowiska Nie istnieje problem emisji tlenków siarki i azotu (śladowe ilości) Brak ruchomych części pracujących w trudnych warunkach Możliwość pracy przy szerokim zakresie obciążeń Możliwość ciągłej pracy (o ile jest dostęp do utleniacza i paliwa)

15 Wady Niskie napięcie uzyskiwane z pojedynczego ogniwa Drogie materiały na katalizatory Stosunkowo niewielkie moce uzyskiwane z modułu Produkcja jedynie prądu stałego (co czasami jest zaletą) Podatność na wpływ zanieczyszczeń zawartych w paliwie (zanieczyszczenia zmniejszają żywotność ogniw zatykając porowate elektrody przez co zmniejsza się ich wydajność prądowa) Trudność z produkcją, magazynowaniem i dystrybucją paliwa (wodoru)

16 IDEALNE OGNIWO PEM G= H-T S G= J-(298K) (-163.2J/K)= J Dla 1atm, 25 o C, U ogniwa wynosi 1.23V E=- G/nF =-( J/2x96.487J/V)=1.23V Dla temperatury 80 o C G= J/mol E=-( J/2x96.487J/V=1.18V

17 Budowa ogniwa PEM

18 Zadania membrany w ogniwie PEM Elektrolityczna membrana polimerowa powinna spełniać następujące funkcje: Bierze udział w procesie przenoszenia ładunku (w przypadku ogniw PEM ładunkiem transportowanym są protony) Zapobiega mieszaniu się tlenu i wodoru Stanowi izolację elektronową pomiędzy elektrodami

19 Struktura polimerowej membrany NAFION Ciało stałe, polimer organiczny, składający się z: 1. -CF 2 -CF-CF 2-2. O-CF 2 -CF- O-CF 2 -CF 2 - Łańcuch boczny, 3. Skupisko jonów składające się z jonów kwasu sulfonowego (SO 3-, H + ) Nafion-jonowymienna membrana selektywnie przepuszczająca protony

20 Trwały Dlaczego Nafion? Odporny na działanie kwasów i zasad Odporny na działanie temperatury do 230 o C Można łatwo unieruchamiać w nim zarówno jony metali jak i ich kompleksy Można łatwo mechanicznie usuwać warstwy nafionu z powierzchni fazy przewodzącej Wysokie przewodnictwo protonowe: 0.1 S/cm w RT 0.15 S/cm w temperaturze pracy ogniwa 80 o C

21 Membrana polimerowa

22 Praca PEM- (Membrany z Polimerowych Elektrolitów) ogniw paliwowych jest ograniczana przez zakres temperatury, w której woda jest cieczą. Membrana musi zawierać wodę, jony wodorowe mogą przenosić ładunek wewnątrz membrany. Temperatura pracy membrany polimerowej w ogniwie paliwowym powyżej 100 o C jest możliwa pod ciśnieniem, wymagającym utrzymywanie wody w stanie ciekłym, ale skracającym czas życia ogniwa. Obecnie koszt około 37$/stopa kwadratowa (9.25 cm 2 )

23 Protonowy mechanizm przewodzenia

24 Własności plastyczny polimer, zazwyczaj w postaci membrany. grubość m, (papier 25 m). Polimerowa membrana jest zazwyczaj elektrolitem, w którym, jony ujemne są sztywno złapane wewnątrz struktury, natomiast jony dodatnie (jedyne) są mobilne i mogą przenosić dodatni ładunek przez membranę. W PEM jonami dodatnimi są protony, dlatego też membrany takie noszą nazwę membrany wymiany protonów. Ruch protonów od anody do katody w jednym kierunku (jedynie) jest podstawą działania PEM. Struktura jest oparta na Teflonie, membrany te są relatywnie trwałe i stabilne stanowią efektywny separator gazu-membrana oddziela paliwo wodorowe od powietrza polimer nie przewodzi elektronów

25 Stosowane membrany 1960 firma DuPont Chemical s wprowadza membranę perflurowaną- Nafion Odmiany Nafionu : Typ membrany Grubość ( m) Masa g/m 2 ) N N N Inne firmy produkujące jonowymienne membrany polimerowe: Asahi Chemical (Actiplex-S ), Dow Chemical (Dow) Rodzaj membrany (Firma) Masa równoważnikowa SO - 3 (g/mol) Grubość w stanie suchym ( m) Przewodność (S/m) Dow Actiplex-S Nafion

26 Elektrody Wszystkie elektrochemiczne reakcje składają się z 2 oddzielnych reakcji: reakcji utleniania na anodzie reakcji redukcji na katodzie Katoda i anoda są oddzielone elektrolitem. W połówkowej reakcji utleniania: 2H 2 4H + + 4e W połówkowej reakcji redukcji: O 2 + 4H + + 4e 2H 2 O Te dwie połówkowe reakcje zachodzą bardzo wolno w niskich temperaturach (zazwyczaj w 80 o C) Tak więc stosuje się na obu elektrodach katalizatory w celu zwiększenia szybkości reakcji połówkowych. Katalizatorem jest platyna

27 Dlaczego platyna? połączenia z atomami H - nie są za słabe i nie za mocne to jest wyjątkowa cecha dobrego katalizatora. największa możliwa powierzchnia właściwa. każda elektroda składa się z porowatego węgla z małymi cząsteczkami Pt. elektroda jest porowata co pozwala na dyfuzję gazu do katalizatora. C i Pt przewodzą elektrony, małe wymiary cząsteczek Pt, około 2 nm, powodują ogromną całkowitą powierzchnię właściwą Pt, która jest dostępna dla gazu. Całkowita powierzchnia prezentowana przez ogromną ilość małych cząstek jest bardzo duża natomiast całkowita masa Pt mała. Duża powierzchnia Pt pozwala na reakcje elektrodowe przebiegające na wielu miejscach Pt jednocześnie. Wysoka dyspersja katalizatora jest jednym ze sposobów generowania znaczącego prądu elektronowego

28 Budowa elektrod w PEM

29 Zarządzanie wodą W ogniwie paliwowym zarówno paliwo jak i powietrze musi być ciągle wilgotne. Ta dodatkowa woda utrzymuje polimerową membranę w stanie uwodnionym. Wilgotność gazów musi być kontrolowana. Za mało wody zapobiega przewodzeniu przez membranę jonów H +. Jeżeli powietrze przechodzi przez katodę za wolno, powietrze nie może przenieść całej wody produkowanej przy katodzie poza ogniwo - katoda jest zalewana. Osiągi ogniwa są zmniejszone ponieważ tlen nie jest w stanie penetrować przez katodę

30 Konstrukcja membrana/elektroda Materiał katalizatora preparowany w postaci farby formowanej przez dokładne mieszanie odpowiednich ilości katalizatora (proszek Pt rozproszony na węglu) i rozpuszczenie materiału w alkoholu. Pokrywanie powierzchni membrany roztworem katalizatora poprzez malowanie Wygrzewanie wilgotnej warstwy katalizatora na powierzchni membrany Powtarzanie procedury na drugiej stronie membrany Wysuszona membrana z elektrodami jest zanurzana w lekko wrzącym rozcieńczonym roztworze kwasu w celu zapewnienia jonów protonowych, koniecznych do działania PEM Ostatni etap to dokładne płukanie w destylowanej wodzie

31 Konstrukcja ogniwa PEM Pierwsza konstrukcja w latach 60-tych Gemini, 4mg Pt /cm 2 Obecnie 0.15mg Pt/cm 2 Na etapie laboratoryjnym 0.25mg Pt /cm 2 Odpowiada to udoskonaleniu osiągnięć ogniwa z programu Gemini, wyrażonych natężenie prądu na mg platyny z 0.5A do 15A. Grubość membrany w omawianej strukturze zmienia się w zależności od typu membrany. Grubość warstwy katalitycznej zależy od ilości zastosowanej platyny na każdej elektrodzie. Dla warstwy zawierającej około 0.15mg Pt/cm 2, grubość warstwy wynosi do 10 m, mniej niż grubość kartki papieru

32 SOFC: stało-tlenkowe ogniwa paliwowe H 2 O (g) anoda elektrolit katoda TPB (Triple Phase Boundary): 1. Gaz (O 2 ) 2.Electron (e ) 3.Anion (O 2 ): elektrolit 2H 2(g) + 2O 2- H 2 O (g) + 4e Anoda: Reakcja utleniania Atmosfera gazowa o niskim p(o 2 ) O 2(g) +4e 2O 2- Katoda: Reakcja redukcji Atmosfera gazowa o wysokim p(o 2 )

33 Ogniwa paliwowe Skład Przewodnictwo Mikrostruktura Preparatyka

34 Efektywna praca ogniwa paliwowego zdeterminowana jest: procesami zachodzącymi na granicy faz gaz -elektrodaelektrolit stały transportem jonów przez elektrolit stały: wartość przewodnictwa dyfuzja Reakcja sumaryczna, która zachodzi w ogniwie paliwowym z wodorem jako paliwem opisana jest równaniem: 2H 2 + O 2 H 2 O Wysoka gęstość prądu oraz związaną z nią gęstość mocy ogniwa (W/m 2 ) można osiągnąć gdy szybkość reakcji ogniwa jest wysoka. Reakcja składa się z następujących procesów następczych: na katodzie- redukcja tlenu w elektrolicie stałym-transport jonów tlenu na anodzie-utlenianie paliwa

35 Reakcje elektrodowe Oddziaływanie tlenu z YSZ pokrytym porowatą warstwą platyny obejmuje następujące etapy cząstkowe: Przepływ tlenu przez pory Pt Adsorpcja tlenu na ścianach Pt w formie molekularnej O 2(ads) Dysocjacja O 2(ads) na atomy, zachodząca na Pt lub na granicy faz Pt/YSZ Reakcja elektrochemiczna zachodząca na granicy faz Pt/YSZ: O (ads) + 2e (Pt) O 2- (YSZ)

36 Etap limitujący proces oddziaływania tlen-ciało stałe Tworzenie się międzymetalicznej fazy Pt(Y, Zr) która kontroluje przepływ ładunku Struktura i geometria elektrody-kontrola wbudowywania się tlenu Na powierzchni elektrolitu tworzą się O - 2(chem), które dysocjują na jony O 2- Wbudowywanie tlenu zachodzi w pobliżu styku trzech faz: gazowej, Pt oraz elektrolitu. Miejsce to nosi nazwę TPB (Triple Phase Boundary). Gęstość punktów TPB określa się parametrem zwanym obwodem sieci metalicznej PMN (Perimeter metal netwok)

37 SOFC-katoda redukcja tlenu Przewodnik elektronowy TPB MIEC-tlenki DIB

38 TPB przy anodzie Analogiczna sytuacja występuje przy anodzie, gdzie w TPB zachodzi następująca reakcja w przypadku wodoru (jako paliwa): H 2(gaz) + O 2- (YSZ) H 2 O (gaz) + 2e - (Pt) Modyfikacja elektrod w celu zwiększenia ilości miejsc w których zachodzą reakcje H 2 (gaz) + O 2- (YSZ) H 2 O (gaz) + 2e - (Pt) O (ads) + 2e (Pt) O 2- (YSZ) Zwiększenie obszarów styku metal-elektrolit Elektrody kompozytowe złożone z rozproszonych cząstek metalu w osnowie elektrolitu stałego CERMET Zastosowanie półprzewodnika o mieszanym typie przewodnictwa MIEC -metoda stosowana w przypadku katody

39 Materiały dla SOFC-wymagania Elektrody Wysokie przewodnictwo elektronowo-jonowe Chemiczna i mechaniczna stabilność: o C w utleniających warunkach dla katody i redukujących dla anody Dopasowanie współczynników rozszerzalności z elektrolitem Wystarczająca porowatość ułatwiająca transport tlenu z fazy gazowej do elektrolitu Elektrolit gazoszczelny wysokie przewodnictwo jonowe (tlenu) zaniedbywane przewodnictwo elektronowe

40 Materiały dla SOFC-wymagania, cd Interkonektory (pomiędzy katodą a anodą) -nieporowaty -wysokie przewodnictwo elektronowe i zaniedbywane przewodnictwo jonowe -stabilne zarówno w atmosferze utleniającej jak i redukującej -chemiczna i termiczna kompatybilność z innymi komponentami

41 Materiały dla SOFC: wymagania właściwości elektryczne właściwości termochemiczne Katoda przewodnictwo ele + ion aktywność katalityczna porowatość wsp.rozszerzalności termicznej adhezja Elektrolit Anoda przewodnictwo jonowe aktywność katalityczna przewodnictwo ele + ion gazoszczelność stabilność mechaniczna adhezja wsp.rozszerzalności termicznej porowatość

42 Faworyci SOFC Katoda- związki o strukturze perowskitu (La 1-x Sr x )(Co 1-x Fe x) O 3 (Sm 1-x Sr x )CoO 3 (Pr 1-x Sr x )(Co 1-x Mn x )O 3 Anoda Kompozyty Ni/Zr 1-x Y x O 2 Elektrolit-struktura fluorytu Zr 1-x Y x O 2 ( struktura fluorytu) Ce 1-x R x O 2 R-jon z grupy ziem rzadkich (struktura fluorytu) Bi 2-x R x O 2 R-jon z grupy ziem rzadkich (zdefektowana struktura fluorytu) Gd 1.9 Ca 0.1 Ti 2 O 6.95 (struktura pirochloru) (La, Nd) 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 2.8 (struktura perowskitu) Interkonektory La 1-x Sr x CrO 3 (struktura perowskitu)

43 Przewodniki jonów O 2- Wysoka koncentracja wakancji tlenowych Wymagane do przeskoku jonów O 2- Wysoka symetria Wysoka właściwa objętość międzyziarnowa (objętość wolna / całkowita objętość) Puste przestrzenie/ wakancje tworzą drogi dyfuzji dla jonów O 2- Polaryzowalne kationy kationy takie mogą odkształcać podczas przeskoków, które obniżają energię aktywacji Chemiczna stabilność, rozszerzalność cieplna, niskie koszty dla komercjalnych zastosowań

44 Przejścia fazowe w ZrO 2 Odmiana niskotemperaturowa jednoskośna Odmiana wysokotemperaturowa kubiczna

45 Domieszkowanie: ZrO 2, CeO 2 Domieszkowanie ZrO 2 (Zr 1-x Y x O 2-x/2, Zr 1-x Ca x O 2-x ) ma na celu: Wprowadzenie wakancji tlenowych (domieszkowanie jonami o niższej walencyjności od 4+) Stabilizacja struktury o wysokiej symetrii ( kationy o dużym promieniu są najbardziej efektywne)

46 Gd 2 Ti 2 O 7 struktura pirochloru Strukturę można otrzymać ze struktury fluorytu przez usunięcie 1/8 tlenu, porządkowanie kationów i wakacji tlenowych Po przez zastąpienie pewnej ilości Gd 3+ jonami Ca 2+, wakancje tlenowe tworzące się w sieci A 2 O, znacznie zwiększają przewodnictwo jonowe W 1000 o C Gd 2 Ti 2 O 7, =1x10-4 S/cm, Ea=0.94eV Gd 1.8 Ca 0.2 Ti 2 O 6.95, =5x10-2 S/cm, Ea=0.63eV W strukturze pirochloru jest możliwość występowania przewodnictwa elektronowojonowego

47 Ba 2 In 2 O 5 brownmilleryt Struktura taka uzyskana jest ze struktury perowskitu, przez usuniecie 1/6 ilości tlenu oraz uporządkowanie wakacji tlenowych tak żeby 50% mniejszych kationów znajduje się w zniekształconej koordynacji tetragonalnej. W temperaturze 800 o C w Ba 2 In 2 O 5 wakancje tlenowe poruszają się warstwach tetragonalnych i przewodnictwo jonowe zmienia się z 10-3 S/cm na 10-1 S/cm Roztwory stałe BaZrO 3 -Ba 2 In 2 O 5 absorbują wodę, wypełniając wakancje tlenowe staja się dobrymi przewodnikami protonowymi w zakresie temperatur o C

48 Fazy Aurivilliusa i BIMEVOX

49 Przykładem materiału o warstwowej perowskitopodobnej strukturze Aurivilliusa jest tytanian bizmutu Bi 4 Ti 3 O 12 (BTO). Strukturę BTO o m = 3, tworzą dwie jednostki perowskitowe BiTiO 3 przeplatające się z warstwami (Bi 2 O 2 )

50 Fazy Aurivilliusa i BIMEVOX Bi 4 V 2 O 11 jest zdefektowaną fazą Aurivilliusa, zapisaną także jako (Bi 2 O 2 )VO 3.5, gdzie 1/8 miejsc tlenu w warstwach perowskitu jest wolna. Przewodnictwo w 600C jest wysokie i wynosi 0.2 S/cm. Jedynie jony tlenu w strukturze perowskitu są ruchliwe. Bi 4 V 2 O 11 ulega przejściu fazowemu w niższych temperaturach, co powoduje obniżenie jego przewodnictwa jonowego. Wprowadzenie domieszki do sieci V stabilizuje wysokotemperaturową odmianę. Fazy takie nazywa się BIMEVOX-em. (Bi 2 O 2 )V 0.9 Cu 0.1 O 3.35 ma w temperaturze 350 o C przewodnictwo 0.01S/cm

51 Przewodniki jonów tlenu O 2- Podsumowanie 1. Domieszkowanie zwiększa koncentracje wakancji tlenowych oraz stabilizuje odmianę wysokotemperaturową o wysokiej symetrii. 2.Spośród przewodników O 2- o strukturze fluorytu domieszkowany CeO 2 i Bi 2 O 3 mają wyższe przewodnictwo w porównaniu ze stabilizowanym ZrO 2, ale oba związki są chemicznie mniej stabilne. Szczególnie są podatne na redukcję, co ogranicza ich zastosowanie. 3. Przewodniki o strukturze brownmilerytu wykazują wysokie przewodnictwo ale w warunkach redukujących stają się przewodnikami elektronowymi. Obiecującą własnością jest ich przewodnictwo protonowe. 4. Przewodniku jonowe typu BIMEVOX charakteryzują się bardzo wysokim przewodnictwem w niskich temperaturach

52 Przewodnictwo jonowe elektrolitów dla SOFC

53 IT-SOFC ( o C) IT-SOFC ze wzmocnioną anodą ( o C) IT-SOFC ze wzmacniającym metalem ( o C) LT-SOFC ze wzmacniającym metalem ( o C)

54 SOFC: Anode-Supported Obniżenie temperatury pracy wymaga doboru elektrolitu o obniżonym oporze 1. Projektowanie materiałów 2. Projektowanie geometrii (minimalizacja grubości elektrolitu) R ρ d A

55 IT-SOFC ze wzmocnioną anodą ( C) anoda mm porowaty Ni-YSZ, aktywna warstwa anody (10 m), elektrolit YSZ (10-30 m), katoda LSM La 1-x Sr x MnO 3 ( m), nie rozwiązane kwestie: wzmocnienie mechanicznie słabe trudności w przypadku mechanicznego i termicznego oddziaływania dodatkowo, wzmocnienie anody Ni-YSZ ulega zmianom objętościowym, które mogą wywoływać pęknięcia elektrolitu, w czasie cyklu redoksowego, nikiel jest utleniany do NiO a następnie znów redukowany do Ni. Zatem straty zasilania paliwa mogą mieć dramatyczne konsekwencje dla wzmocnienia Ni-YSZ

56 IT-SOFC ze wzmacniającym metalem ( C) Układ składa się z zestawu PEN (elektroda dodatnia/elektrolit/elektroda negatywna) wzmocnionego porowatym, metalicznym podłożem zamiast grubego podłoża anody. Konstrukcja wzmocnienia metalem jest odporna na szoki termiczne i umożliwia konwencjonalne połączenie metalu. Jednak obecność metalu powoduje, że temperatura spiekania komponentów PEN jest ograniczona przez temperaturę topnienia metalu i temperatury utleniania. Np. dla stali nierdzewnej konstrukcja nie może w sposób ciągły wygrzewana powyżej 1000C. Ponadto, niedopasowanie współczynników rozszerzalności termicznej YSZ i stali nierdzewnej może być przyczyną problemów zwłaszcza podczas cykli termicznych. Stwierdzono także, że zabezpieczająca warstwa od strony powietrza jest czasami konieczna do unikania utleniania stali w temperaturach pracy