Solidoxidbränsleceller (SOFC) erbjuder ett stabilt och effektivt sätt att generera ren elektrokemisk kraft, men är opraktiska för användning i bärbara enheter på grund av deras höga driftstemperaturer. En ny design- och produktionsstrategi utvecklad av Florencia Edith Wiria från A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology och Pei-Chen Su vid Nanyang Technological University kan hjälpa till att driva SOFC till vanligt bruk1.

Mikroskala SOFC kan förändra konsumentelektronik, levererar mer kraft än befintliga batterier på ett miljövänligt sätt. Silver är ett tilltalande och prisvärt alternativ till de dyra platinakatoderna som används i nuvarande mikro-SOFC-konstruktioner. Men silverelektroder smälter, så de kan inte behålla den fina porösa strukturen som krävs för en effektiv elektrokemisk reaktion vid 500-1, 000 grader Celsius temperaturintervall vid vilka dessa enheter i allmänhet fungerar. Wiria och Su försökte därför utveckla en värmebeständig version av detta system.

"Detta skulle möjliggöra förlängning av SOFC från konventionella stationära strömkällor till bärbara applikationer, säger Wiria.

Wiria och Su använde en strategi som kallas 'våt kemisk infiltration', där de täckte tunna filmer av silver med ett lager av samarium-dopad ceria (SDC). Kritiskt, deras tillvägagångssätt använde en 3D-skrivare, ger utsökt kontroll över elektroddesignen. "Vi ville utnyttja möjligheten att skriva ut fint, komplexa strukturer för att förverkliga kraftkällor med olika former, "säger Wiria. De resulterande silverfilmerna behöll den önskade nanoskala strukturen, men skyddades också under ett kristallint lager av SDC.

Medan konventionella silverfilmer snabbt smälte till ett formlöst aggregat när temperaturen steg över 300–400 grader Celsius, de SDC-infiltrerade filmerna förblev i stort sett oförändrade även vid 500 grader Celsius. Denna förbättrade katodintegritet översattes till robust bränslecellsprestanda efter mer än en dag med kontinuerlig drift, med prestanda som till och med överträffade platinaelektroder. "Vi förbättrade avsevärt den termiska stabiliteten för fastoxidbränsleceller med nanoporösa silverkatoder från nuvarande nedbrytning på 73,6 procent till endast 7,9 procent, säger Wiria.

Mikroskopisk analys bekräftade att elektrodmikrostrukturen förblev i stort sett intakt även efter detta test, och de infiltrerade katoderna uppvisade endast blygsam ytterligare degeneration efter 60 timmars drift.

Detta arbete lovar att kraftigt utöka användningen av mikroskaliga SOFC, och Wiria och Su undersöker ytterligare modifieringar som kan ge ännu större stabilitet och flexibilitet i deras katodkonstruktioner. "Vi försöker för närvarande använda en" core-shell "-metod för att helt inkapsla våra silver-nanopartiklar, "förklarar Wiria, "och undersöker andra 3D-utskriftsmetoder för att producera SDC-infiltrerade SOFC."