Velen van ons weten maar al te goed hoe spanning in werkrelaties de prestaties kan beïnvloeden, maar nieuw onderzoek toont aan dat materialen in elektriciteitsproducerende brandstofcellen op een heel ander niveau gevoelig kunnen zijn voor spanning.

Onderzoekers van Kyushu University melden dat spanning veroorzaakt door slechts 2% vermindering van de afstand tussen atomen wanneer ze op een oppervlak worden afgezet, leidt tot maar liefst 99,999% afname van de snelheid waarmee de materialen waterstofionen geleiden, waardoor de prestaties van vaste oxidebrandstof aanzienlijk worden verminderd cellen.

Door methoden te ontwikkelen om deze belasting te verminderen, kunnen in de toekomst hoogwaardige brandstofcellen voor de productie van schone energie naar een groter aantal huishoudens worden gebracht.

In staat om elektriciteit op te wekken uit waterstof en zuurstof terwijl ze alleen water als "afval" uitstoten, vertrouwen brandstofcellen op een elektrolyt om ionen te transporteren die worden geproduceerd door waterstof- of zuurstofmoleculen van de ene kant van het apparaat naar de andere te breken.

Hoewel de term elektrolyt vaak beelden oproept van vloeistoffen en sportdranken, kunnen het ook vaste stoffen zijn. Voor brandstofcellen zijn onderzoekers vooral geïnteresseerd in elektrolyten op basis van keramiek en vaste oxiden - harde materialen bestaande uit zuurstof en andere atomen - die positieve waterstofionen geleiden, ook wel protonen genoemd.

Dergelijke protongeleidende vaste oxiden zijn niet alleen duurzamer dan vloeistoffen en polymeermembranen, maar kunnen ook werken bij gemiddelde temperaturen van 300 tot 600 °C, wat lager is dan hun zuurstof-ionengeleidende tegenhangers.

"Een sleutel voor een goede efficiëntie is om de protonen zo snel mogelijk door de elektrolyt te laten reageren met zuurstof", zegt Junji Hyodo, auteur van de studie en onderzoeksassistent-professor aan het Kyushu University Platform of Inter-/Transdisciplinary Energy Research (Q -PIT).

"Op papier hebben we materialen met geweldige eigenschappen die zouden moeten leiden tot uitstekende prestaties bij gebruik in vaste-oxidebrandstofcellen, maar de werkelijke prestaties zijn meestal veel lager."

Nu denken de onderzoekers te weten waarom door te onderzoeken wat er gebeurt waar de elektrolyt de reactie-inducerende elektrode ontmoet.

"Eigenschappen van individuele materialen worden vaak gemeten in een toestand waarin ze vrij zijn van invloed van omringende lagen - wat we de bulk noemen. Wanneer echter een oxidelaag op een oppervlak wordt gekweekt, moeten de atomen ervan vaak worden aangepast om de eigenschappen van het onderliggende oppervlak, wat leidt tot verschillen met de bulk", legt Hyodo uit.

Voor hun onderzoek richtten de onderzoekers zich op een veelbelovend oxide dat bekend staat als BZY20, een combinatie van yttrium-, barium-, zirkonium- en zuurstofatomen. BYZ20 vormt een kristal met een gemeenschappelijke structuur die in een kubus past en keer op keer wordt herhaald op het oppervlak terwijl het oxide groeit.

Kijkend naar monsters met verschillende diktes, ontdekten ze dat de atomen aan de randen van deze kubus 2% dichter bij het grensvlak tussen het oxide en het oppervlak zijn dan in lagen ver weg van het oppervlak. Bovendien vermindert deze compressieve spanning de protongeleiding tot bijna 1/100.000 van wat het is in bulkmonsters.

"Een verandering van slechts 2% - van één meter naar 98 cm op grote schaal - klinkt misschien onbeduidend, maar in een apparaat waar interacties plaatsvinden op atomaire schaal, heeft het een enorme impact", zegt Yoshihiro Yamazaki, professor aan Q- PIT en adviseur over het onderzoek.

Naarmate de lagen zich opbouwen, neemt deze compressieve spanning langzaam af, waarbij de kubus uiteindelijk zijn gewenste grootte ver van het grensvlak bereikt. Maar hoewel de geleidbaarheid hoog weg van het oppervlak kan zijn, is de schade al aangericht.

Door rekening te houden met deze verminderde geleidbaarheid bij het berekenen van de verwachte prestaties, resulteert dit in waarden die overeenkomen met de werkelijke brandstofcelprestaties, wat aangeeft dat de spanning waarschijnlijk een rol speelt bij het verminderen van de prestaties.

"Hoewel we goede individuele materialen hebben, is het van cruciaal belang om hun eigenschappen te behouden wanneer ze in een apparaat worden gecombineerd. In dit geval weten we nu dat strategieën nodig zijn om de spanning te verminderen waar het oxide de elektrode ontmoet", zegt Yamazaki.

Het onderzoek is gepubliceerd in het Journal of Physics:Energy . + Verder verkennen

Onderzoek naar nieuwe materialen om de bedrijfstemperatuur van vaste-oxidebrandstofcellen te verlagen