Første makroskala tyndfilmede fastoxidbrændselscelle demonstreret

(PhysOrg.com)-Materialeforskere ved Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) og SiEnergy Systems LLC har demonstreret den første makroskala tyndfilmede fastoxidbrændselscelle (SOFC).

Mens SOFC'er tidligere har arbejdet i mikroskala, dette er første gang, at en forskningsgruppe har overvundet de strukturelle udfordringer ved at skalere teknologien op til en praktisk størrelse med en forholdsmæssigt højere effekt.

Rapporteret online 3. april in Naturnanoteknologi , demonstrationen af ​​denne fuldt funktionelle SOFC angiver potentialet for elektrokemiske brændselsceller til at være en levedygtig kilde til ren energi.

"Gennembruddet i dette arbejde er, at vi har demonstreret effekttæthed, der kan sammenlignes med, hvad du kan få med små membraner, men med membraner, der er en faktor på hundrede eller deromkring større, viser, at teknologien er skalerbar, "siger hovedforsker Shriram Ramanathan, Lektor i materialevidenskab ved SEAS.

SOFC'er skaber elektrisk energi via en elektrokemisk reaktion, der finder sted på tværs af en ultratynd membran. Denne 100-nanometer membran, omfattende elektrolyt og elektroder, skal være tynd nok til, at ioner kan passere igennem den ved en relativt lav temperatur (hvilket, til keramiske brændselsceller, ligger i området 300 til 500 grader Celsius). Disse lave temperaturer muliggør en hurtig opstart, et mere kompakt design, og mindre brug af sjældne jordartsmaterialer.

Indtil nu, imidlertid, tynde film er kun blevet implementeret med succes i mikro-SOFC'er, hvor hver chip i brændselscelleskiven er omkring 100 mikron bred. Til praktiske anvendelser, såsom brug i kompakte strømkilder, SOFC'er skal være omkring 50 gange bredere.

De elektrokemiske membraner er så tynde, at det at oprette en på den skala omtrent svarer til at lave et 16 fod bredt ark papir. Naturligt, de strukturelle spørgsmål er væsentlige.

"Hvis du laver en konventionel tynd membran på den skala uden en bærestruktur, du kan ikke gøre noget - det går bare i stykker, "siger medforfatter Bo-Kuai Lai, en postdoktor ved SEAS. "Du laver membranen i laboratoriet, men du kan ikke engang tage det ud. Det vil bare gå i stykker. "

Med hovedforfatter Masaru Tsuchiya (Ph.D. '09), et tidligere medlem af Ramanathans laboratorium, der nu er hos SiEnergy, Ramanathan og Lai forstærkede tyndfilmsmembranen ved hjælp af et metallisk gitter, der ligner kyllingetråd i nanoskala.

Den lille metalhonningskage giver det kritiske strukturelement til den store membran, samtidig med at den fungerer som en strømopsamler. Ramanathans team var i stand til at fremstille membranchips, der var 5 mm brede, kombinerer hundredvis af disse chips til SOFC-wafler i håndflade.

Mens andre forskeres tidligere forsøg på at implementere det metalliske gitter viste strukturel succes, Ramanathans team er det første til at demonstrere en fuldt funktionel SOFC på denne skala. Deres brændselscelles effektdensitet på 155 milliwatt pr. Kvadratcentimeter (ved 510 grader Celsius) er sammenlignelig med effekttætheden af ​​mikro-SOFC'er.

Når det multipliceres med det meget større aktive område af denne nye brændselscelle, at effekttætheden omsættes til en output, der er høj nok til at være relevant for bærbar strøm.

Tidligere arbejde i Ramanathans laboratorium har udviklet mikro-SOFC'er, der er helt keramiske, eller som bruger metan som brændstofkilde i stedet for brint. Forskerne håber, at fremtidigt arbejde med SOFC'er vil inkorporere disse teknologier i de store brændselsceller, forbedre deres overkommelighed.

I de kommende måneder, de vil undersøge designet af nye nanostrukturerede anoder til brint-alternative brændstoffer, der kan bruges ved disse lave temperaturer og arbejder på at forbedre elektrodernes mikrostrukturelle stabilitet.