Med beregning, forskere identificerer lovende fastoxid brændselscelle materialer

Ved hjælp af avancerede beregningsmetoder, Materialeforskere fra University of Wisconsin-Madison har opdaget nye materialer, der kan bringe udbredt kommerciel brug af fastoxidbrændselsceller tættere på virkeligheden.

En fastoxidbrændselscelle er i det væsentlige en motor, der giver en alternativ måde at forbrænde fossile brændstoffer eller brint til at generere strøm. Disse brændselsceller brænder deres brændstof elektrokemisk i stedet for ved forbrænding, og er mere effektive end nogen praktisk forbrændingsmotor.

Som en alternativ energiteknologi, fast oxid brændselsceller er en alsidig, højeffektiv strømkilde, der kan spille en afgørende rolle i fremtidens energi. Fast oxid brændselsceller kan bruges i en række forskellige applikationer, fra at fungere som strømforsyning til bygninger til at øge brændstofeffektiviteten i køretøjer.

Imidlertid, faste oxidbrændselsceller er dyrere end konventionelle energiteknologier, og det har begrænset deres adoption.

"Bedre katodekatalysatorer kan tillade drift ved lavere temperatur, som kan øge stabiliteten og reducere omkostningerne, potentielt giver dig mulighed for at tage din bygning fra elnettet og i stedet forsyne den med en fast oxid brændselscelle, der kører på naturgas, " siger Dane Morgan, en professor i materialevidenskab og teknik ved UW-Madison. "Hvis vi kan nå dertil med fastoxidbrændselsceller, strøminfrastrukturen til mange bygninger i landet kan ændre sig, og det ville være en meget stor transformation til en mere decentral strøminfrastruktur."

Anført af Morgan og Ryan Jacobs, en stabsforsker i Morgans forskningsgruppe, et team af UW-Madison ingeniører har udnyttet kvantemekanik-baserede beregningsteknikker til at søge efter lovende nye kandidatmaterialer, der kunne gøre det muligt for fastoxidbrændselsceller at fungere ved lavere temperaturer, med højere effektivitet og længere levetid.

Deres beregningsmæssige screening af mere end 2, 000 kandidatmaterialer fra en bred klasse af forbindelser kaldet perovskiter gav en liste over 52 potentielle nye katodematerialer til fastoxidbrændselsceller.

Forskerne offentliggjorde detaljer om deres fremskridt for nylig i tidsskriftet Avancerede energimaterialer .

"Med denne forskning, vi har givet specifikke anbefalinger af lovende forbindelser, som bør undersøges nærmere, " siger Morgan, hvis arbejde er støttet af det amerikanske luftvåben og National Science Foundation. "Nogle af de nye katodekandidatmaterialer, vi har identificeret, kunne være transformative for fastoxidbrændselsceller for at reducere omkostningerne."

Ud over at identificere nye materialer, forskernes tilgang gjorde det muligt for dem at kodificere materialedesignprincipper, der tidligere var baseret på intuition, og komme med forslag til forbedring af eksisterende materialer.

Typisk, fastoxidbrændselsceller skal fungere ved temperaturer omkring 800 grader Celsius. Men drift ved disse høje temperaturer betyder, at materialer i brændselscellen nedbrydes hurtigt og begrænser enhedens levetid. Målet, siger Jacobs, er at gøre det muligt for fastoxidbrændselsceller at fungere ved en lavere temperatur, og bremse den nedbrydning. Brændselsceller med lang levetid behøver ikke hyppige udskiftninger, gør dem mere omkostningseffektive.

For at nå dette mål, forskerne satte sig for at finde stabile forbindelser med høj aktivitet til at katalysere iltreduktionsreaktionen, en kemisk procesnøgle til fastoxidbrændselscelle -energianvendelser.

"Hvis du kan finde nye forbindelser, der både er stabile under brændselscellens driftsbetingelser og meget katalytisk aktive, du kan tage den stabile, meget aktivt materiale og bruge det ved en reduceret temperatur, mens du stadig opnår den ønskede ydeevne fra brændselscellen, " forklarer Jacobs, der var hovedforfatter til undersøgelsen.

Imidlertid, anvendelse af beregningsmodeller til kvantitativt at beregne den katalytiske aktivitet af en perovskitforbindelse er uoverkommelig vanskelig på grund af den høje kompleksitet af oxygenreduktionsreaktionen.

For at overkomme denne udfordring, forskerne brugte en tilgang, hvor de valgte en fysisk parameter, der var mere ligetil at beregne, og viste derefter empirisk, at det korrelerede med den katalytiske aktivitet, tjener således som en effektiv proxy for den katalytiske aktivitet. Når de først etablerede disse korrelationer med data fra eksperimenter, forskerne var i stand til at bruge high-throughput beregningsværktøjer til effektivt at screene en stor gruppe materialer for høj katalytisk aktivitet.

UW-Madison-forskerne samarbejder med en gruppe ved National Energy Technology Laboratory (NETL), som udførte indledende test på et af holdets kandidat katodematerialer.

"Denne forskning er i gang, men de tidlige test fra vores NETL-samarbejdspartnere fandt, at materialet var ret lovende, " siger Morgan.

Morgan siger, at dette projekt er et eksempel på den slags fremskridt, der bliver hjulpet af Materials Genome Initiative, en igangværende national indsats, der har til formål at fordoble den hastighed, hvormed landet opdager, udvikler og fremstiller nye materialer.

"Dette projekt integrerede korrelationer fra eksperimenter med online digitale databaser og high-throughput beregningsværktøjer for at designe nye fastoxidbrændselscellematerialer, så det er præcis den slags ting, der bliver aktiveret af den infrastruktur og tilgang, der er blevet udviklet og sat på plads af Materials Genome Initiative, " siger Morgan.