Simuleringar från forskare i Japan ger nya insikter om de reaktioner som sker i fastoxidbränsleceller genom att använda realistiska modeller i atomskala av den aktiva platsen vid elektroden baserade på mikroskopobservationer som utgångspunkt. Denna bättre förståelse kan ge ledtrådar om sätt att förbättra prestanda och hållbarhet i framtida enheter.

Extremt lovande för ren och effektiv elproduktion, bränsleceller med fast oxid producerar elektricitet genom den elektrokemiska reaktionen av ett bränsle med luft, och de har redan börjat hitta in i hem och kontorsbyggnader i hela Japan.

I en typisk bränslecell, syremolekyler på ena sidan av bränslecellen tar först emot elektroner och bryts upp till oxidjoner. Oxidjonerna färdas sedan genom en elektrolyt till den andra sidan av enheten, där de reagerar med bränslet och släpper ut sina extra elektroner. Dessa elektroner strömmar genom yttre ledningar tillbaka till startsidan, därigenom slutföra kretsen och strömförsörja allt som är anslutet till ledningarna.

Även om denna övergripande reaktion är välkänd och relativt enkel, reaktionssteget som begränsar processens totala hastighet förblir kontroversiellt eftersom elektrodernas komplicerade strukturer - som i allmänhet är porösa material i motsats till enkla, plana ytor — hindrar undersökning av fenomenen på atomnivå.

Eftersom detaljerad kunskap om de reaktioner som sker i enheterna är avgörande för att ytterligare förbättra prestanda och hållbarhet hos bränsleceller, utmaningen har varit att förstå hur de mikroskopiska strukturerna – ända till atomernas inriktning vid de olika gränssnitten – påverkar reaktionerna.

"Datorsimuleringar har spelat en kraftfull roll för att förutsäga och förstå reaktioner som vi inte lätt kan observera på atomär eller molekylär skala, " förklarar Michihisa Koyama, chefen för gruppen som ledde forskningen vid Kyushu Universitys INAMORI Frontier Research Center.

"Dock, de flesta studier har antagit förenklade strukturer för att minska beräkningskostnaden, och dessa system kan inte reproducera de komplexa strukturer och beteenden som förekommer i den verkliga världen."

Koyamas grupp syftade till att övervinna dessa brister genom att tillämpa simuleringar med förfinade parametrar på realistiska modeller av nyckelgränssnitten baserade på mikroskopiska observationer av atomernas faktiska positioner vid elektrodens aktiva plats.

Utnyttja styrkan i Kyushu Universitys Ultramicroscopy Research Center, forskarna observerade noggrant atomstrukturen hos tunna skivor av bränslecellerna med hjälp av elektronmikroskopi med atomupplösning. Baserat på dessa observationer, forskarna rekonstruerade sedan datormodeller med samma atomstrukturer för två representativa arrangemang som de observerade.

Reaktioner mellan väte och syre i dessa virtuella bränsleceller simulerades sedan med en metod som kallas Reactive Force Field Molecular Dynamics, som använder en uppsättning parametrar för att uppskatta hur atomer kommer att interagera - och till och med kemiskt reagera - med varandra, utan att gå in på den fulla komplexiteten av rigorösa kvantkemiska beräkningar. I detta fall, forskarna använde en förbättrad uppsättning parametrar som utvecklats i samarbete med Yoshitaka Umenos grupp vid University of Tokyo.

Om man tittar på resultatet av flera körningar av simuleringarna på de olika modellsystemen, forskarna fann att de önskade reaktionerna var mer benägna att inträffa i lager med mindre porstorlek.

Vidare, de identifierade en ny reaktionsväg där syre migrerar genom bulklagren på ett sätt som potentiellt skulle kunna försämra prestanda och hållbarhet. Således, strategier för att undvika denna potentiella reaktionsväg bör övervägas när forskare arbetar med att designa förbättrade bränsleceller.

"Det här är den typen av insikter som vi bara kan få genom att titta på verkliga system, " kommenterar Koyama. "I framtiden, Jag förväntar mig att se fler människor använda verkliga atomstrukturer återskapade från mikroskopobservationer som bas för simuleringar för att förstå fenomen som vi inte enkelt kan mäta och observera i laboratoriet."