När yttriumdopat bariumzirkonat (BZY20) avsätts på en elektrod, komprimeras atomerna nära ytan från sin ideala position. Denna trycktöjning i planet ökar barriären mot protondiffusion, vilket minskar protonledningsförmågan och prestanda hos bränsleceller med fast oxid. Denna minskning av protonledningsförmåga matchar rapporterade värden för protonledningsförmåga i högpresterande protonledande keramiska bränsleceller. Strategier för att övervinna denna påfrestning kommer att bidra till att förbättra prestandan i framtiden. Kredit:Yamazaki Lab, Kyushu University
Många av oss är alltför bekanta med hur påfrestningar i arbetsrelationer kan påverka prestanda, men ny forskning visar att material i elproducerande bränsleceller kan vara känsliga för påfrestningar på en helt annan nivå.
Forskare från Kyushu University rapporterar att påkänning orsakad av bara en 2 % minskning av avståndet mellan atomer när de avsätts på en yta leder till en enorm minskning på 99,999 % i hastigheten med vilken materialen leder vätejoner, vilket kraftigt minskar prestandan hos fast oxidbränsle. celler.
Att utveckla metoder för att minska denna påfrestning kommer att bidra till att ge högpresterande bränsleceller för ren energiproduktion till ett större antal hushåll i framtiden.
Bränsleceller kan generera elektricitet från väte och syre samtidigt som de bara avger vatten som "avfall", och förlitar sig på en elektrolyt för att transportera joner som produceras genom att bryta isär väte eller syremolekyler från ena sidan av enheten till den andra.
Även om termen elektrolyt ofta kan framkalla bilder av vätskor och sportdrycker, kan de också vara fasta ämnen. För bränsleceller är forskare särskilt intresserade av elektrolyter baserade på keramik och fasta oxider – hårda material som består av syre och andra atomer – som leder positiva vätejoner, även kända som protoner.
Sådana protonledande fasta oxider är inte bara mer hållbara än vätskor och polymermembran utan kan också fungera i medeltemperaturområden på 300 till 600 °C, vilket är lägre än deras syrejonledande motsvarigheter.
"En nyckel för god effektivitet är att få protonerna genom elektrolyten att reagera med syre så snabbt som möjligt", säger Junji Hyodo, författare till studien och forskningsassistent vid Kyushu University Platform of Inter-/Transdisciplinary Energy Research (Q -PIT).
"På pappret har vi material med fantastiska egenskaper som borde leda till utmärkt prestanda när de används i fastoxidbränsleceller, men den faktiska prestandan tenderar att vara mycket lägre."
Nu tror forskarna att de vet varför genom undersökningar av vad som händer där elektrolyten möter den reaktionsinducerande elektroden.
"Egenskaper hos enskilda material mäts ofta i ett tillstånd där de är fria från inflytande från omgivande skikt - vad vi kallar bulken. Men när ett oxidskikt odlas på en yta måste dess atomer ofta omjusteras för att tillgodose egenskaperna hos den underliggande ytan, vilket leder till skillnader från bulken", förklarar Hyodo.
För sin studie fokuserade forskarna på en lovande oxid känd som BZY20, som är en kombination av yttrium-, barium-, zirkonium- och syreatomer. BYZ20 bildar en kristall med en gemensam struktur som passar i en kub och som upprepas om och om igen på ytan när oxiden växer.
När de tittade på prover med olika tjocklekar fann de att atomerna på kanterna av denna kub är 2% närmare vid gränsytan mellan oxiden och ytan än i lager långt bort från ytan. Dessutom minskar denna trycktöjning protonledningsförmågan till nästan 1/100 000 av vad den är i bulkprover.
"En förändring på bara 2% - från en meter till 98 cm i stor skala - kan låta obetydlig, men i en enhet där interaktioner sker i atomär skala gör det en enorm inverkan", säger Yoshihiro Yamazaki, professor vid Q- PIT och rådgivare i studien.
När skikten byggs upp minskar denna tryckpåkänning långsamt, och kuben når så småningom sin föredragna storlek långt från gränssnittet. Men även om konduktiviteten kan vara hög bort från ytan, är skadan redan skedd.
Att ta hänsyn till denna minskade konduktivitet vid beräkning av förväntad prestanda resulterar i värden som överensstämmer med faktiska bränslecellsprestanda, vilket indikerar att belastningen sannolikt spelar en roll för att minska prestandan.
"Medan vi har bra individuella material, är det avgörande att behålla deras egenskaper när de kombineras i en enhet. I det här fallet vet vi nu att strategier för att minska belastningen där oxiden möter elektroden behövs", säger Yamazaki.
Forskningen publicerades i Journal of Physics:Energy . + Utforska vidare
