Reduceret nikkelindhold og forbedret stabilitet og ydeevne i keramiske brændselsceller

Et forskerhold i Korea har udviklet en keramisk brændselscelle, der tilbyder både stabilitet og høj ydeevne, mens den reducerer den nødvendige mængde katalysator med en faktor på 20. Anvendelsesområdet for keramiske brændselsceller, som hidtil kun har været brugt til storstilet elproduktion på grund af de vanskeligheder, der er forbundet med hyppige opstart, kan forventes at udvide til nye områder, såsom elbiler, robotter, og droner.

Dr. Ji-Won Son ved Center for Energimaterialeforskning, gennem fælles forskning med professor Seung Min Han ved Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), har udviklet en ny teknologi, der undertrykker forringelsen af ​​reduktion-oxidationscyklussen, en væsentlig årsag til nedbrydning af keramiske brændselsceller, ved at reducere mængden og størrelsen af ​​nikkelkatalysatoren i anoden markant ved hjælp af en tyndfilmsteknologi.

Keramiske brændselsceller, repræsentant for højtemperaturbrændselsceller, fungerer generelt ved høje temperaturer - 800 °C eller højere. Derfor, billige katalysatorer, såsom nikkel, kan bruges i disse celler, i modsætning til lavtemperatur polymerelektrolytbrændselsceller, som bruger dyre platinkatalysatorer. Nikkel udgør sædvanligvis ca. 40 % af anodevolumenet i en keramisk brændselscelle. Imidlertid, da nikkel agglomererer ved høje temperaturer, når den keramiske brændselscelle udsættes for de oxidations- og reduktionsprocesser, der ledsager stop-genstart-cyklusser, ukontrollabel ekspansion opstår. Dette resulterer i ødelæggelse af hele den keramiske brændselscellestruktur. Denne fatale ulempe har forhindret generering af strøm fra keramiske brændselsceller fra applikationer, der kræver hyppig opstart.

I et forsøg på at overvinde dette, Dr. Ji-Won Sons team hos KIST udviklede et nyt koncept for en anode, som indeholder væsentligt mindre nikkel, kun 1/20 af en konventionel keramisk brændselscelle. Denne reducerede mængde af nikkel gør det muligt for nikkelpartiklerne i anoden at forblive isolerede fra hinanden. For at kompensere for den reducerede mængde af nikkelkatalysatoren, Nikkelets overfladeareal øges drastisk gennem realiseringen af ​​en anodestruktur, hvor nikkelnanopartikler er jævnt fordelt i hele den keramiske matrix ved hjælp af en tyndfilmsaflejringsproces. I keramiske brændselsceller, der bruger denne nye anode, ingen forringelse eller ydeevneforringelse af de keramiske brændselsceller blev observeret, selv efter mere end 100 reduktion-oxidationscyklusser, i sammenligning med konventionelle keramiske brændselsceller, som mislykkedes efter mindre end 20 cyklusser. I øvrigt, Effekten af ​​de nye anode keramiske brændselsceller blev forbedret med 1,5 gange sammenlignet med konventionelle celler, på trods af den væsentlige reduktion af nikkelindholdet.

Dr. Ji-Won Son sagde, "Vores forskning i den nye anodebrændselscelle blev systematisk udført på alle stadier, fra design til realisering og evaluering, baseret på vores forståelse af reduktion-oxidationsfejl, som er en af ​​de primære årsager til ødelæggelsen af ​​keramiske brændselsceller."

Dr. Son sagde, "Potentialet til at anvende disse keramiske brændselsceller til andre felter end kraftværker, som for mobilitet, er enormt."

Forskningsresultaterne blev offentliggjort i Acta Materialia .