211service.com
En cool bränslecell
En ny elektrolyt för fastoxidbränsleceller, gjord av forskare i Spanien, fungerar vid temperaturer som är hundratals grader lägre än konventionella elektrolyter, vilket kan bidra till att göra sådana bränsleceller mer praktiska.
Ledande kristaller: En bild med ett scanningselektronmikroskop visar kristallstrukturen hos ett nytt elektrolytmaterial för fastoxidbränsleceller som fungerar bra vid rumstemperatur.
Jacobo Santamaria , från avdelningen för tillämpad fysik vid Universidad Complutense de Madrid, i Spanien, och hans kollegor har modifierat en yttriumoxidstabiliserad zirkoniumoxidelektrolyt, en vanlig typ av elektrolyt i fastoxidbränsleceller, så att den fungerar vid strax över rumstemperatur . Vanligtvis kräver sådana elektrolyter temperaturer över 700 °C. I kombination med förbättringar av bränslecellselektroderna kan detta sänka temperaturen vid vilken dessa bränsleceller arbetar.
Fastoxidbränsleceller är lovande för nästa generations kraftverk eftersom de är effektivare än konventionella generatorer, såsom ångturbiner, och de kan använda en större variation av bränslen än andra bränsleceller. De kan generera elektricitet med bland annat bensin, diesel, naturgas och väte. Men de höga temperaturerna som krävs för effektiv drift gör fastoxidbränsleceller dyra och begränsar deras tillämpningar. Den lågtemperaturelektrolyt som rapporterats av de spanska forskarna kan vara en enorm förbättring för fastoxidbränsleceller, säger Erik Wachsman , chef för Florida Institute for Sustainable Energy, vid University of Florida.
I en bränslecell av fast oxid matas syre till en elektrod och bränsle till den andra. Elektrolyten tillåter syrejoner att migrera från en elektrod till den andra, där de kombineras med bränslet; i det enklaste fallet, där väte är bränslet, producerar detta vatten och frigör elektroner. Elektrolyten hindrar elektronerna från att färdas direkt tillbaka till syresidan av bränslecellen, och tvingar dem istället att färdas genom en extern krets och genererar elektricitet. Via denna kretsloppsväg hittar de så småningom vägen till syreelektroden, där de kombineras med syrgas för att bilda syrejoner, vilket vidmakthåller cykeln.
Elektrolyten – som är ett fast material – leder vanligtvis bara joner vid höga temperaturer. Santamaria, som bygger på tidigare arbete av andra forskare, fann att jonledningsförmågan vid låga temperaturer kunde förbättras avsevärt genom att kombinera lager av standardelektrolytmaterial med 10 nanometer tjocka lager av strontiumtitanat. Han fann att, på grund av skillnaderna i materialens kristallstrukturer, bildas ett stort antal syrevakanser - platser inom de kristallina strukturerna hos materialen som vanligtvis skulle vara värd för en syreatom - där dessa två material möts. Dessa vakanser bildar vägar som gör att syrejonerna kan röra sig genom materialet, vilket förbättrar materialens ledningsförmåga vid rumstemperatur med en faktor på 100 miljoner.
Materialet är fortfarande en bit ifrån att införlivas i kommersiella bränsleceller. För det första kommer den stora förbättringen av jonkonduktiviteten att kräva ytterligare verifiering, säger Wachsman, särskilt mot bakgrund av svårigheten att mäta prestanda hos extremt tunna material. För det andra kommer riktningen för den förbättrade konduktiviteten – längs materialets plan snarare än vinkelrätt mot det – att kräva en omdesign av dagens bränsleceller. Dessutom är den begränsande faktorn för temperaturen i bränsleceller nu elektrodmaterialen. Innan rumstempererade fastoxidbränsleceller är möjliga måste dessa också förbättras.
Men om de första resultaten bekräftas av framtida forskning, kommer de nya materialen att utgöra ett betydande framsteg. Ivan Schuller , en professor i fysik vid University of California, San Diego, säger att detta representerar en stor förändring i prestanda hos elektrolyter. Han tillägger, det kommer säkert att motivera mycket nytt arbete av andra.