Hvordan kommer ilt ind i en brændselscelle?

For at en brændselscelle skal fungere, det har brug for et oxidationsmiddel. TU Wien har nu fundet en måde at forklare, hvorfor ilt ikke altid kommer effektivt ind i brændselsceller, gør dem ubrugelige.

Brændselsceller bruger en simpel kemisk reaktion, såsom kombinationen af ​​ilt og brint for at danne vand, at producere elektricitet. Spørgsmålet om, hvilket materiale der er bedst at bruge til fremstilling af keramiske brændselsceller, er ikke ligetil, imidlertid. Der kræves nye materialer, der fungerer som en katalysator for den krævede kemiske reaktion med maksimal effektivitet, men som også holder så længe som muligt, uden at deres egenskaber ændrer sig.

Tidligere bestræbelser på at udvikle materialer, der opfylder disse krav, har i høj grad været baseret på forsøg og fejl. Imidlertid, teams på TU Wien har nu formået at finde en måde at foretage målrettede ændringer på overfladen af ​​brændselsceller på atomare skala og tage målinger på samme tid. Som resultat, det er nu muligt at forklare vigtige fænomener for første gang, herunder årsagerne til, at strontiumatomer er problematiske, og det faktum, at kobolt kan være nyttigt i en brændselscelle.

Iltforsyningsflaskehalsen

Ved katoden, brændselscellens positive terminal, ilt er inkorporeret i brændselscellematerialet fra luften. Elektrisk ladede oxygenioner skal derefter rejse gennem materialet og reagere med brændstoffet, for eksempel brint, på den negativt ladede side, anoden.

"Flaskehalsen i hele denne proces er inkorporeringen af ​​ilt ved katoden, " forklarer Ghislain Rupp, fra forskergruppen ledet af professor Jürgen Fleig ved TU Wiens institut for kemiske teknologier og analyser. Holdet ledet af professor Andreas Limbeck og baseret på samme institut var også involveret i dette forskningsprojekt.

Brændselsceller skal betjenes ved ekstremt høje temperaturer, et sted i området mellem 700 og 1000 grader Celsius, for at sikre, at ilten optages hurtigt nok. Forskere har længe forsøgt at identificere bedre katodematerialer, der gør det muligt at reducere driftstemperaturen. "Der er nogle velkendte muligheder, som er af særlig interesse, herunder lanthan strontium cobaltite, eller LSC for kort, " forklarer Ghislain Rupp. Det største problem i denne sag er, at disse materialer ikke forbliver stabile på lang sigt. Der er altid et tidspunkt, hvor aktiviteten falder, og brændselscellens ydeevne svinder ind. Indtil nu, det har kun været muligt at gætte på den præcise årsag hertil.

Målrettede overfladeændringer

En ting har altid været klar:overfladen af ​​katoden, hvor ilten skal sætte sig, før den kommer ind i brændselscellen, har en afgørende rolle at spille. Med det i tankerne, holdene på TU Wien udviklede en metode til at lave målrettede ændringer af overfladen, som også giver mulighed for at foretage målinger på samme tid for at bestemme effekten af ​​dette på brændselscellens elektriske egenskaber.

"Vi bruger en laserpuls til at fordampe forskellige materialer, som derefter akkumuleres i små mængder på overfladen, " forklarer Rupp. "Dette gør det muligt for os at ændre sammensætningen af ​​katodeoverfladen i små, præcise doser, mens man også overvåger, hvordan dette påvirker systemets modstand."

Den skadelige virkning af overdreven strontium

På denne måde vi har været i stand til at vise, at materialer, der indeholder store mængder strontium på overfladen, har en skadelig effekt:"Hvis der er for mange strontiumatomer på overfladen, ilt er slet ikke inkorporeret særlig effektivt, " siger Rupp. "Oilten optages af katodeoverfladen meget ujævnt. På nogle foretrukne steder, for eksempel hvor koboltatomer er placeret, oxygen indarbejdes effektivt. Imidlertid, på de punkter, hvor strontium dominerer, næsten ingen ilt er i stand til at komme ind i katoden." Dette forklarer også, hvorfor brændselscellerne forringes over tid, når strontiumet inde i materialet migrerer til overfladen og dækker eventuelle aktive koboltophobninger, i sidste ende holder luften væk fra brændselscellen.

Disse resultater giver vigtig information om, hvordan ilt grundlæggende er inkorporeret i materialer som LSC, og hvilke processer der får brændselscellernes ydeevne til at forringes. "Denne forskning har taget os et stort skridt tættere på den tekniske brug af LSC som brændselscellemateriale, " tror Rupp. "Hvad mere er, Vores nye undersøgelsesmetode, der kombinerer ultra-præcis belægning med elektrisk måling, vil helt sikkert finde andre vigtige anvendelser inden for faststofionik."