Brændselscelle fremme et frisk pust til fremtidigt kraftalternativ

Et lovende alternativ til konventionelle kraftværker, fastoxidbrændselsceller anvender elektrokemiske metoder, der kan generere strøm mere effektivt end eksisterende forbrændingsbaserede generatorer. Men brændselsceller har en tendens til at nedbrydes for hurtigt, æder eventuelle effektivitetsgevinster op gennem øgede omkostninger.

Nu, på et fremskridt, der kunne hjælpe med at føre vejen mod længere levetid, grønne energienheder, ingeniører ved University of Wisconsin-Madison har afsløret ny indsigt om de kemiske reaktioner, der driver brændselsceller.

"Brændselsceller er spændende teknologier med potentielt forstyrrende egenskaber, " siger Dane Morgan, en professor i materialevidenskab og teknik ved UW-Madison, der ledede forskningen. "Men nedbrydningsproblemer har været en stor hindring for forbrugermarkedet."

Han og hans samarbejdspartnere beskrev deres resultater for nylig i journalen Naturkommunikation .

En grund til, at brændselsceller nedbrydes, er, at enhederne skal fungere ved ekstremt høje temperaturer - over 1, 500 grader Fahrenheit - for at drive de kemiske reaktioner, der skaber elektricitet.

Brændselsceller kombinerer ilt med en ekstern brændstofkilde, en proces, der ligner den varme- og lysafgivende transformation, der sker ved ild. Alligevel udfører brændselsceller disse kemiske reaktioner uden at brænde. Derfor kan brændselsceller generere energi med væsentligt mere effektivitet end forbrænding.

I stedet, brændselsceller fungerer lidt som batterier, bestående af to elektroder adskilt af en elektrolyt, som er et materiale, der transporterer ioner. En af elektroderne spalter ilt fra luften i individuelle atomer, som derefter kan transporteres og kombineres med brændstof. Vigtigt, Spaltning af ilt frigør elektroner, der kan bevæge sig gennem et kredsløb som strøm for at drive hjem eller enheder. Denne iltopdeling finder sted ved en komponent kaldet katoden.

Men iltgas er temmelig stabil og derfor tilbageholdende med at splitte. Og bestræbelser på at drive reaktionerne effektivt ved lavere temperaturer med kompatible materialer har været udfordrende, til dels fordi forskere virkelig ikke kender detaljerne på atomare skala af de kemiske reaktioner, der finder sted ved katoden.

"Tidligere forskere forstod virkelig ikke, hvad de hastighedsbegrænsende trin er for, hvordan ilt kommer på en overflade, deler sig og går ind i et materiale, "siger Yipeng Cao, den førende studerende på undersøgelsen.

For at ilt kan komme ind i katoden, gasmolekylet skal splittes i to atomer. Derefter skal hvert atom støde på en struktur kaldet en ledig stilling, som er et lille molekylært hul ved overfladen af ​​materialet, der tillader ilt at komme ind. Det er svært at forstå denne proces, fordi den sker ved katodens øverste atomlag, hvis kemi kan være ganske anderledes end hovedparten af ​​materialet.

"Det er ekstremt udfordrende at måle sammensætning og stillingskemi på de to øverste lag, " siger Morgan.

Derfor vendte han og kollegerne sig til computersimuleringer. Som førende eksperter i molekylær modellering, de kombinerede tæthedsfunktionel teori og kinetisk modellering for at få indsigt på atomniveau i de reaktioner, der forekommer på de to øverste lag af katoden.

Teamet fastslog, at opdeling ikke er det hastighedsbegrænsende trin i det undersøgte materiale. De lærte, at det, der begrænser brændselscelleeffektiviteten, er måden, hvorpå iltatomer finder og indtaster ledige pladser på overfladen.

Materiale med flere ledige stillinger, derfor, potentielt kunne gøre brændselsceller meget mere effektive.

"Dette kunne give mulighed for materialedesign på en måde, som var meget svær at gøre før, "siger Morgan.

Forskerne fokuserede på et bestemt materiale, en modelforbindelse for mange almindelige brændselscellekatoder kaldet lanthanstrontiumcobaltat. De planlægger snart at udvide analysen til at omfatte andre materialer.

Resultaterne kan have indflydelse ud over brændselsceller, også. Materialer, der udveksler ilt med miljøet, har mange anvendelsesmuligheder, including in water splitting, CO ₂ reduction, gas separation, and electronic components called memristors.

"I think we have a much better handle on how to control the oxygen exchange process, " says Morgan. "It's early, but this could open the door to a broadly applicable design strategy for controlling oxygen exchange."