211service.com
Een koele brandstofcel
Een nieuwe elektrolyt voor vaste-oxidebrandstofcellen, gemaakt door onderzoekers in Spanje, werkt bij temperaturen die honderden graden lager zijn dan die van conventionele elektrolyten, wat zou kunnen helpen om dergelijke brandstofcellen praktischer te maken.
Geleidende kristallen: Een scanning transmissie-elektronenmicroscoopafbeelding toont de kristalstructuur van een nieuw elektrolytmateriaal voor vaste-oxidebrandstofcellen dat goed werkt bij kamertemperatuur.
Jacobo Santamaria , van de afdeling toegepaste natuurkunde aan de Universidad Complutense de Madrid, in Spanje, en zijn collega's hebben een met yttriumoxide gestabiliseerd zirkoniumoxide-elektrolyt, een veelvoorkomend type elektrolyt in vaste-oxidebrandstofcellen, aangepast, zodat het werkt bij net boven kamertemperatuur . Gewoonlijk vereisen dergelijke elektrolyten temperaturen van meer dan 700 °C. In combinatie met verbeteringen aan de brandstofcelelektroden zou dit de temperatuur kunnen verlagen waarbij deze brandstofcellen werken.
Vast-oxidebrandstofcellen zijn veelbelovend voor energiecentrales van de volgende generatie omdat ze efficiënter zijn dan conventionele generatoren, zoals stoomturbines, en ze kunnen een grotere verscheidenheid aan brandstoffen gebruiken dan andere brandstofcellen. Ze kunnen elektriciteit opwekken met onder andere benzine, diesel, aardgas en waterstof. Maar de hoge temperaturen die nodig zijn voor een efficiënte werking maken vaste-oxidebrandstofcellen duur en beperken hun toepassingen. De door de Spaanse onderzoekers gerapporteerde lage temperatuur elektrolyt zou een enorme verbetering kunnen zijn voor vaste-oxide brandstofcellen, zegt Eric Wachsman , directeur van het Florida Institute for Sustainable Energy, aan de Universiteit van Florida.
In een vaste-oxidebrandstofcel wordt zuurstof aan de ene elektrode toegevoerd en brandstof aan de andere. De elektrolyt zorgt ervoor dat zuurstofionen van de ene elektrode naar de andere kunnen migreren, waar ze worden gecombineerd met de brandstof; in het eenvoudigste geval, waarbij waterstof de brandstof is, ontstaat hier water en komen elektronen vrij. De elektrolyt voorkomt dat de elektronen direct terugreizen naar de zuurstofzijde van de brandstofcel, waardoor ze in plaats daarvan gedwongen worden door een extern circuit te reizen en elektriciteit op te wekken. Via deze omslachtige route vinden ze uiteindelijk hun weg naar de zuurstofelektrode, waar ze zich combineren met zuurstofgas om zuurstofionen te vormen, waardoor de cyclus in stand wordt gehouden.
De elektrolyt, een vast materiaal, geleidt meestal alleen ionen bij hoge temperaturen. Santamaria, voortbouwend op eerder werk van andere onderzoekers, ontdekte dat de ionische geleidbaarheid bij lage temperaturen sterk kon worden verbeterd door lagen van de standaard elektrolytmaterialen te combineren met 10 nanometer dikke lagen strontiumtitanaat. Hij ontdekte dat, vanwege de verschillen in de kristalstructuren van de materialen, een groot aantal zuurstofvacatures - plaatsen in de kristallijne structuren van de materialen die normaal een zuurstofatoom zouden bevatten - gevormd waar deze twee materialen elkaar ontmoeten. Deze vacatures vormen paden waardoor de zuurstofionen door het materiaal kunnen bewegen, waardoor de geleidbaarheid van de materialen bij kamertemperatuur met een factor 100 miljoen wordt verbeterd.
Het materiaal is nog lang niet verwerkt in commerciële brandstofcellen. Om te beginnen zal de grote verbetering in ionische geleidbaarheid verdere verificatie vereisen, zegt Wachsman, vooral in het licht van de moeilijkheid om de prestaties van extreem dunne materialen te meten. Ten tweede vereist de richting van de verbeterde geleidbaarheid - langs het vlak van het materiaal in plaats van er loodrecht op - een herontwerp van de huidige brandstofcellen. Wat meer is, de beperkende factor voor de temperatuur in brandstofcellen zijn nu de elektrodematerialen. Voordat vaste-oxide-brandstofcellen op kamertemperatuur mogelijk zijn, moeten deze ook worden verbeterd.
Maar als de eerste resultaten worden bevestigd door toekomstig onderzoek, zullen de nieuwe materialen een aanzienlijke vooruitgang betekenen. Ivan Schuller , een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Californië, San Diego, zegt dat dit een grote verandering in de prestaties van elektrolyten betekent. Hij voegt eraan toe: Het zal zeker veel nieuw werk van anderen motiveren.