Med hjälp av avancerade beräkningsmetoder, Materialforskare vid University of Wisconsin-Madison har upptäckt nya material som kan föra utbredd kommersiell användning av fastoxidbränsleceller närmare verkligheten.

En bränslecell med fast oxid är i huvudsak en motor som tillhandahåller ett alternativt sätt att bränna fossila bränslen eller väte för att generera kraft. Dessa bränsleceller förbränner sitt bränsle elektrokemiskt istället för genom förbränning, och är effektivare än någon praktisk förbränningsmotor.

Som en alternativ energiteknik, bränsleceller med fast oxid är en mångsidig, högeffektiv kraftkälla som kan spela en viktig roll i framtidens energi. Fastoxidbränsleceller kan användas i en mängd olika applikationer, från att fungera som strömförsörjning för byggnader till att öka bränsleeffektiviteten i fordon.

Dock, bränsleceller med fast oxid är dyrare än konventionell energiteknik, och det har begränsat deras antagande.

"Bättre katodkatalysatorer kan tillåta drift vid lägre temperaturer, som kan öka stabiliteten och minska kostnaderna, potentiellt tillåter dig att ta din byggnad från elnätet och istället driva den med en bränslecell av fast oxid som drivs på naturgas, " säger Dane Morgan, en materialvetenskap och ingenjörsprofessor vid UW-Madison. "Om vi ​​kan komma till den punkten med bränsleceller med fast oxid, kraftinfrastrukturen till många byggnader i landet kan förändras, och det skulle vara en mycket stor omvandling till en mer decentraliserad kraftinfrastruktur."

Leds av Morgan och Ryan Jacobs, en stabsforskare i Morgans forskargrupp, ett team av UW-Madison-ingenjörer har utnyttjat kvantmekanikbaserade beräkningstekniker för att söka efter lovande nya kandidatmaterial som skulle kunna göra det möjligt för fastoxidbränsleceller att fungera vid lägre temperaturer, med högre effektivitet och längre livslängd.

Deras beräkningsscreening av mer än 2, 000 kandidatmaterial från en bred klass av föreningar som kallas perovskiter gav en lista på 52 potentiella nya katodmaterial för fastoxidbränsleceller.

Forskarna publicerade nyligen detaljer om deras framsteg i tidskriften Avancerade energimaterial .

"Med denna forskning, vi har gett specifika rekommendationer om lovande föreningar som bör utforskas ytterligare, säger Morgan, vars arbete stöds av U.S. Air Force och National Science Foundation. "Några av de nya katodkandidatmaterialen vi identifierade kan vara transformativa för bränsleceller med fast oxid för att minska kostnaderna."

Förutom att identifiera nya material, forskarnas tillvägagångssätt gjorde det möjligt för dem att kodifiera principer för materialdesign som tidigare varit baserade på intuition och att ge förslag för att förbättra befintliga material.

Vanligtvis, bränsleceller med fast oxid måste fungera vid temperaturer runt 800 grader Celsius. Men att arbeta vid dessa höga temperaturer innebär att material i bränslecellen bryts ned snabbt och begränsar enhetens livslängd. Målet, säger Jacobs, är att göra det möjligt för fastoxidbränsleceller att arbeta vid en lägre temperatur, och bromsa den nedbrytningen. Bränsleceller med lång livslängd skulle inte behöva bytas ut ofta, gör dem mer kostnadseffektiva.

För att uppnå detta mål, forskarna försökte hitta stabila föreningar med hög aktivitet för att katalysera syrereduktionsreaktionen, en kemisk processnyckel till bränslecellsenergiapplikationer med fast oxid.

"Om du kan hitta nya föreningar som både är stabila under bränslecellens driftsförhållanden och mycket katalytiskt aktiva, du kan ta det stallet, mycket aktivt material och använda det vid en reducerad temperatur samtidigt som du uppnår önskad prestanda från bränslecellen, " förklarar Jacobs, som var huvudförfattare till studien.

Dock, att använda beräkningsmodellering för att kvantitativt beräkna den katalytiska aktiviteten hos en perovskitförening är oöverkomligt svårt på grund av den höga komplexiteten hos syrereduktionsreaktionen.

För att övervinna denna utmaning, forskarna använde ett tillvägagångssätt där de valde en fysisk parameter som var enklare att beräkna, och visade sedan empiriskt att det korrelerade med den katalytiska aktiviteten, tjänar således som en effektiv proxy för den katalytiska aktiviteten. När de väl etablerade dessa samband med data från experiment, forskarna kunde använda beräkningsverktyg med hög genomströmning för att effektivt screena en stor grupp av material för hög katalytisk aktivitet.

UW-Madison-forskarna samarbetar med en grupp vid National Energy Technology Laboratory (NETL), som utförde inledande tester på ett av teamets katodkandidatmaterial.

"Denna forskning pågår, men de tidiga testerna av våra NETL-samarbetspartners fann att materialet var ganska lovande, säger Morgan.

Morgan säger att detta projekt är ett exempel på den typ av framsteg som stöds av Materials Genome Initiative, en pågående nationell satsning som syftar till att fördubbla den hastighet med vilken landet upptäcker, utvecklar och tillverkar nya material.

"Detta projekt integrerade korrelationer från experiment med digitala onlinedatabaser och beräkningsverktyg med hög genomströmning för att designa nya fastoxidbränslecellmaterial, så det är precis sånt som möjliggörs av infrastrukturen och tillvägagångssätten som har utvecklats och införts av Materials Genome Initiative, säger Morgan.