Ett forskarlag i Korea har utvecklat en keramisk bränslecell som erbjuder både stabilitet och hög prestanda samtidigt som den minskar den erforderliga mängden katalysator med en faktor 20. Användningsområdet för keramiska bränsleceller, som hittills endast använts för storskalig elproduktion på grund av svårigheterna i samband med frekventa uppstarter, kan förväntas expandera till nya områden, som elfordon, robotar, och drönare.

Dr Ji-Won Son vid Center for Energy Materials Research, genom gemensam forskning med professor Seung Min Han vid Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), har utvecklat en ny teknik som undertrycker försämringen som orsakas av reduktions-oxidationscykeln, en viktig orsak till nedbrytning av keramiska bränsleceller, genom att avsevärt minska mängden och storleken på nickelkatalysatorn i anoden med hjälp av en tunnfilmsteknik.

Keramiska bränsleceller, representativ för högtemperaturbränsleceller, fungerar vanligtvis vid höga temperaturer - 800 °C eller högre. Därför, billiga katalysatorer, som nickel, kan användas i dessa celler, i motsats till lågtemperaturpolymerelektrolytbränsleceller, som använder dyra platinakatalysatorer. Nickel utgör vanligtvis cirka 40 % av anodvolymen i en keramisk bränslecell. Dock, eftersom nickel agglomererar vid höga temperaturer, när den keramiska bränslecellen utsätts för de oxidations- och reduktionsprocesser som följer med stopp-omstartcykler, okontrollerbar expansion inträffar. Detta resulterar i att hela den keramiska bränslecellstrukturen förstörs. Denna ödesdigra nackdel har förhindrat att keramiska bränsleceller genererar kraft från applikationer som kräver frekventa uppstarter.

I ett försök att övervinna detta, Dr Ji-Won Sons team på KIST utvecklade ett nytt koncept för en anod som innehåller betydligt mindre nickel, bara 1/20 av en konventionell keramisk bränslecell. Denna reducerade mängd nickel gör det möjligt för nickelpartiklarna i anoden att förbli isolerade från varandra. För att kompensera för den minskade mängden nickelkatalysator, Nickelns yta ökas drastiskt genom realiseringen av en anodstruktur där nickelnanopartiklar är jämnt fördelade över hela den keramiska matrisen med hjälp av en tunnfilmsavsättningsprocess. I keramiska bränsleceller som använder denna nya anod, ingen försämring eller prestandaförsämring av de keramiska bränslecellerna observerades, även efter mer än 100 reduktions-oxidationscykler, i jämförelse med konventionella keramiska bränsleceller, som misslyckades efter färre än 20 cykler. Dessutom, effektuttaget för de nya anodkeramiska bränslecellerna förbättrades med 1,5 gånger jämfört med konventionella celler, trots den avsevärda minskningen av nickelhalten.

Dr Ji-Won Son sa, "Vår forskning om den nya anodbränslecellen genomfördes systematiskt i varje steg, från design till realisering och utvärdering, baserat på vår förståelse av reduktion-oxidationsfel, vilket är en av de främsta orsakerna till förstörelsen av keramiska bränsleceller."

Dr Son sa, "Möjligheten att använda dessa keramiska bränsleceller på andra fält än kraftverk, som för rörlighet, är enorm."

Forskningsresultaten publicerades i Acta Materialia .