För att en bränslecell ska fungera, den behöver ett oxidationsmedel. TU Wien har nu hittat ett sätt att förklara varför syre inte alltid kommer in i bränsleceller effektivt, gör dem oanvändbara.

Bränsleceller använder en enkel kemisk reaktion, som kombinationen av syre och väte för att bilda vatten, att generera el. Frågan om vilket som är det bästa materialet att använda när man tillverkar keramiska bränsleceller är inte enkel, dock. Det krävs nya material som fungerar som en katalysator för den kemiska reaktion som krävs med maximal effektivitet, men som också håller så länge som möjligt utan att deras egenskaper förändras.

Tidigare arbete med att ta fram material som uppfyller dessa krav har till stor del byggt på trial and error. Dock, team på TU Wien har nu lyckats hitta ett sätt att göra riktade förändringar av bränslecellers yta i atomär skala och samtidigt göra mätningar. Som ett resultat, det är nu möjligt att förklara viktiga fenomen för första gången, inklusive anledningarna till att strontiumatomer är problematiska och det faktum att kobolt kan vara användbart i en bränslecell.

Flaskhalsen för syrgasförsörjningen

Vid katoden, bränslecellens positiva terminal, syre införlivas i bränslecellsmaterialet från luften. Elektriskt laddade syrejoner måste sedan resa genom materialet och reagera med bränslet, till exempel väte, på den negativt laddade sidan, anoden.

"Flaskhalsen i hela denna process är införlivandet av syre vid katoden, " förklarar Ghislain Rupp, från forskargruppen ledd av professor Jürgen Fleig vid TU Wiens Institute of Chemical Technologies and Analytics. Teamet ledd av professor Andreas Limbeck och baserat på samma institut var också involverat i detta forskningsprojekt.

Bränsleceller måste drivas vid extremt höga temperaturer, någonstans i området mellan 700 och 1000 grader Celsius, för att säkerställa att syret införlivas tillräckligt snabbt. Forskare har länge försökt att identifiera bättre katodmaterial som gör att driftstemperaturen kan sänkas. "Det finns några välkända alternativ som är av särskilt intresse, inklusive lantanstrontiumkoboltit, eller LSC för kort, " förklarar Ghislain Rupp. Det stora problemet i det här fallet är att dessa material inte förblir stabila på lång sikt. Det finns alltid en punkt då aktiviteten sjunker och bränslecellens prestanda minskar. Tills nu, det har bara varit möjligt att gissa sig till den exakta orsaken till detta.

Riktade ytförändringar

En sak har alltid varit klar:ytan på katoden, där syret ska sedimentera innan det går in i bränslecellen, har en avgörande roll att spela. Med detta i åtanke, teamen vid TU Wien utvecklade en metod för att göra målinriktade förändringar av ytan som också gör det möjligt att göra mätningar samtidigt för att fastställa effekterna av detta på bränslecellens elektriska egenskaper.

"Vi använder en laserpuls för att förånga olika material, som sedan ackumuleras i små volymer på ytan, " förklarar Rupp. "Detta gör det möjligt för oss att modifiera sammansättningen av katodytan i små, exakta doser, samtidigt som man övervakar hur detta påverkar systemets motstånd."

Den skadliga effekten av överdriven strontium

På det här sättet, vi har kunnat visa att material som innehåller stora volymer strontium på ytan har en skadlig effekt:"Om det finns för många strontiumatomer på ytan, syre införlivas inte alls effektivt, " säger Rupp. "Syret tas upp av katodytan väldigt ojämnt. På vissa föredragna platser, till exempel var koboltatomer finns, syre införlivas effektivt. Dock, vid de punkter där strontium dominerar, knappt något syre kan komma in i katoden." Detta förklarar också varför bränslecellerna försämras med tiden, när strontiumet inuti materialet migrerar till ytan och täcker alla aktiva koboltansamlingar, i slutändan håller luften borta från bränslecellen.

Dessa fynd ger viktig information om hur syre i grunden ingår i material som LSC och vilka processer som gör att bränslecellernas prestanda försämras. "Denna forskning har tagit oss ett stort steg närmare den tekniska användningen av LSC som bränslecellsmaterial, " tror Rupp. "Och mer, vår nya metod för undersökning som kombinerar ultraprecis beläggning med elektrisk mätning kommer säkerligen att hitta andra viktiga tillämpningar inom området solid state jonics."