(PhysOrg.com) -- Materiaalwetenschappers van de Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) en SiEnergy Systems LLC hebben de eerste dunne-film solid-oxide brandstofcel (SOFC) op macroschaal gedemonstreerd.

Hoewel SOFC's eerder op microschaal hebben gewerkt, dit is de eerste keer dat een onderzoeksgroep de structurele uitdagingen heeft overwonnen om de technologie op te schalen tot een praktisch formaat met een proportioneel hoger vermogen.

Online gemeld 3 april in Natuur Nanotechnologie , de demonstratie van deze volledig functionele SOFC geeft het potentieel aan van elektrochemische brandstofcellen om een ​​levensvatbare bron van schone energie te zijn.

"De doorbraak in dit werk is dat we een vermogensdichtheid hebben aangetoond die vergelijkbaar is met wat je kunt krijgen met kleine membranen, maar met membranen die een factor honderd of zo groter zijn, aantonen dat de technologie schaalbaar is, " zegt hoofdonderzoeker Shriram Ramanathan, Universitair hoofddocent materiaalkunde bij SEAS.

SOFC's creëren elektrische energie via een elektrochemische reactie die plaatsvindt over een ultradun membraan. Dit membraan van 100 nanometer, bestaande uit de elektrolyt en elektroden, moet dun genoeg zijn om ionen door te laten bij een relatief lage temperatuur (wat, voor keramische brandstofcellen, ligt in het bereik van 300 tot 500 graden Celsius). Deze lage temperaturen zorgen voor een snelle opstart, een compacter ontwerp, en minder gebruik van zeldzame aardmetalen.

Tot dusver, echter, dunne films zijn alleen met succes geïmplementeerd in micro-SOFC's, waarbij elke chip in de brandstofcelwafel ongeveer 100 micron breed is. Voor praktische toepassingen, zoals gebruik in compacte stroombronnen, SOFC's moeten ongeveer 50 keer breder zijn.

De elektrochemische membranen zijn zo dun dat het maken van een op die schaal ongeveer gelijk staat aan het maken van een vel papier van 16 voet breed. Van nature, de structurele problemen zijn aanzienlijk.

"Als je op die schaal een conventioneel dun membraan maakt zonder een ondersteunende structuur, je kunt niets doen - het zal gewoon breken, " zegt co-auteur Bo-Kuai Lai, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS. "Je maakt het membraan in het lab, maar je kunt het er niet eens uithalen. Het zal gewoon kapot gaan."

Met hoofdauteur Masaru Tsuchiya (Ph.D. '09), een voormalig lid van Ramanathan's lab die nu bij SiEnergy werkt, Ramanathan en Lai versterkten het dunne-filmmembraan met een metalen rooster dat eruitziet als kippengaas op nanoschaal.

De kleine metalen honingraat vormt het kritische structurele element voor het grote membraan en dient ook als stroomafnemer. Het team van Ramanathan kon membraanchips maken van 5 mm breed, het combineren van honderden van deze chips in SOFC-wafels ter grootte van een handpalm.

Terwijl eerdere pogingen van andere onderzoekers om het metalen raster te implementeren structureel succes lieten zien, Het team van Ramanathan is de eerste die een volledig functionele SOFC op deze schaal demonstreert. De vermogensdichtheid van hun brandstofcel van 155 milliwatt per vierkante centimeter (bij 510 graden Celsius) is vergelijkbaar met de vermogensdichtheid van micro-SOFC's.

Vermenigvuldigd met het veel grotere actieve gebied van deze nieuwe brandstofcel, die vermogensdichtheid vertaalt zich in een output die hoog genoeg is om relevant te zijn voor draagbare stroom.

Eerder werk in het laboratorium van Ramanathan heeft micro-SOFC's ontwikkeld die volledig keramiek zijn of die methaan als brandstofbron gebruiken in plaats van waterstof. De onderzoekers hopen dat toekomstige werkzaamheden aan SOFC's deze technologieën zullen opnemen in de grootschalige brandstofcellen, hun betaalbaarheid te verbeteren.

In de komende maanden, ze zullen het ontwerp onderzoeken van nieuwe nanogestructureerde anoden voor waterstof-alternatieve brandstoffen die bruikbaar zijn bij deze lage temperaturen en werken om de microstructurele stabiliteit van de elektroden te verbeteren.