En lille belastning hjælper langt med at reducere brændselscellens ydeevne

Mange af os er alt for bekendt med, hvordan belastning i arbejdsforhold kan påvirke ydeevnen, men ny forskning viser, at materialer i el-producerende brændselsceller kan være følsomme over for belastning på et helt andet niveau.

Forskere fra Kyushu University rapporterer, at belastning forårsaget af blot en 2 % reduktion i afstanden mellem atomer, når de aflejres på en overflade, fører til et kæmpe fald på 99,999 % i den hastighed, hvormed materialerne leder hydrogenioner, hvilket i høj grad reducerer ydeevnen af ​​fast oxidbrændstof celler.

Udvikling af metoder til at reducere denne belastning vil hjælpe med at bringe højtydende brændselsceller til ren energiproduktion til et bredere antal husstande i fremtiden.

Brændselsceller er i stand til at generere elektricitet fra brint og oxygen, mens de kun udsender vand som "affald", og brændselsceller er afhængige af en elektrolyt til at transportere ioner produceret ved at bryde brint- eller oxygenmolekyler fra den ene side af enheden til den anden.

Selvom udtrykket elektrolyt ofte kan fremkalde billeder af væsker og sportsdrikke, kan de også være faste stoffer. For brændselsceller er forskere særligt interesserede i elektrolytter baseret på keramik og faste oxider - hårde materialer sammensat af oxygen og andre atomer - der leder positive hydrogenioner, også kendt som protoner.

Sådanne protonledende faste oxider er ikke kun mere holdbare end væsker og polymermembraner, men kan også fungere i mellemtemperaturområder på 300 til 600 °C, hvilket er lavere end deres oxygen-ion-ledende modstykker.

"En nøgle til god effektivitet er at få protonerne gennem elektrolytten til at reagere med oxygen så hurtigt som muligt," siger Junji Hyodo, forfatter til undersøgelsen og forskningsassistent ved Kyushu University Platform of Inter-/Transdisciplinary Energy Research (Q -PIT).

"På papiret har vi materialer med fantastiske egenskaber, der skulle føre til fremragende ydeevne, når de bruges i fastoxidbrændselsceller, men den faktiske ydeevne har en tendens til at være meget lavere."

Nu tror forskerne, at de ved hvorfor gennem undersøgelser af, hvad der sker, hvor elektrolytten møder den reaktionsinducerende elektrode.

"Egenskaber af individuelle materialer måles ofte i en tilstand, hvor de er fri for påvirkning fra omgivende lag - det, vi kalder hovedparten. Men når et oxidlag dyrkes på en overflade, skal dets atomer ofte justeres for at rumme egenskaberne ved den underliggende overflade, hvilket fører til forskelle fra bulken," forklarer Hyodo.

For deres undersøgelse fokuserede forskerne på et lovende oxid kendt som BZY20, som er en kombination af yttrium-, barium-, zirconium- og oxygenatomer. BYZ20 danner en krystal med en fælles struktur, der passer i en terning og gentages igen og igen på overfladen, efterhånden som oxidet vokser.

Ved at se på prøver med forskellige tykkelser fandt de ud af, at atomerne på kanterne af denne terning er 2% tættere på grænsefladen mellem oxidet og overfladen end i lag langt væk fra overfladen. Desuden reducerer denne trykbelastning protonledningsevnen til næsten 1/100.000 af, hvad den er i bulkprøver.

"En ændring på kun 2 % - fra en meter til 98 cm i stor skala - kan lyde ubetydelig, men i en enhed, hvor interaktioner sker på atomær skala, gør det en enorm indflydelse," siger Yoshihiro Yamazaki, professor ved Q- PIT og rådgiver på studiet.

Efterhånden som lagene opbygges, reduceres denne trykbelastning langsomt, hvor kuben til sidst når sin foretrukne størrelse langt fra grænsefladen. Men selvom ledningsevnen kan være høj væk fra overfladen, er skaden allerede sket.

At tage højde for denne reducerede ledningsevne ved beregning af forventet ydeevne resulterer i værdier, der stemte overens med den faktiske brændselscelleydelse, hvilket indikerer, at belastningen sandsynligvis spiller en rolle i at reducere ydeevnen.

"Selvom vi har gode individuelle materialer, er det afgørende at bevare deres egenskaber, når de kombineres i en enhed. I dette tilfælde ved vi nu, at der er behov for strategier til at reducere belastningen, hvor oxidet møder elektroden," siger Yamazaki.

Forskningen blev offentliggjort i Journal of Physics:Energy . + Udforsk yderligere

Undersøgelse af nye materialer for at reducere driftstemperaturen for fastoxidbrændselsceller