Det elektrokemiska membranet, som visar strukturen av det metalliska gallret på dess yta. Att stabilisera membranet med detta rutnät har gjort det möjligt för materialforskare vid Harvard att framgångsrikt skala upp tekniken till en praktisk skala, möjliggör ren energitillämpningar. Kredit:Shriram Ramanathan.
(PhysOrg.com) -- Materialforskare vid Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) och SiEnergy Systems LLC har demonstrerat den första makroskaliga tunnfilmsfastoxidbränslecellen (SOFC).
Medan SOFC tidigare har arbetat i mikroskalan, detta är första gången någon forskargrupp har övervunnit de strukturella utmaningarna med att skala upp tekniken till en praktisk storlek med en proportionellt högre effekt.
Rapporterade online 3 april in Naturens nanoteknik , demonstrationen av denna fullt fungerande SOFC indikerar potentialen hos elektrokemiska bränsleceller att vara en livskraftig källa till ren energi.
"Genombrottet i detta arbete är att vi har visat en effekttäthet som är jämförbar med vad du kan få med små membran, men med membran som är en faktor hundra eller så större, visa att tekniken är skalbar, " säger chefsutredaren Shriram Ramanathan, Docent i materialvetenskap vid SEAS.
SOFC skapar elektrisk energi via en elektrokemisk reaktion som sker över ett ultratunt membran. Detta 100 nanometer membran, bestående av elektrolyten och elektroderna, måste vara tillräckligt tunn för att tillåta joner att passera genom den vid en relativt låg temperatur (vilket, för keramiska bränsleceller, ligger i intervallet 300 till 500 grader Celsius). Dessa låga temperaturer möjliggör en snabb uppstart, en mer kompakt design, och mindre användning av sällsynta jordartsmetaller.
En fullt fungerande bränslecellsmembran i fast oxid. Den strukturerade ytan på varje fyrkantigt chip ger stabilitet till den otroligt tunna filmen som används för det elektrokemiska membranet. Kredit:Shriram Ramanathan.
Än så länge, dock, tunna filmer har framgångsrikt implementerats endast i mikro-SOFC, där varje chip i bränslecellskivan är cirka 100 mikron bred. För praktiska tillämpningar, såsom användning i kompakta strömkällor, SOFC måste vara cirka 50 gånger bredare.
De elektrokemiska membranen är så tunna att att skapa ett i den skalan är ungefär lika med att göra ett 16 fot brett pappersark. Naturligtvis, de strukturella frågorna är betydande.
"Om du gör ett konventionellt tunt membran i den skalan utan en stödstruktur, du kan inte göra någonting - det kommer bara att gå sönder, " säger medförfattaren Bo-Kuai Lai, en postdoktor vid SEAS. "Du gör membranet i labbet, men du kan inte ens ta ut den. Det kommer bara att splittras."
Med huvudförfattaren Masaru Tsuchiya (Ph.D. '09), en tidigare medlem av Ramanathans labb som nu är på SiEnergy, Ramanathan och Lai stärkte det tunna filmmembranet med ett metalliskt rutnät som ser ut som kycklingnät i nanoskala.
Svepelektronmikroskopi avslöjar den strukturerade ytan av det elektrokemiska membranet. Ramanathans team hittade cirklar och hexagoner för att ge den mest stabila strukturen. Kredit:Shriram Ramanathan.
Den lilla metallbikakan utgör det kritiska strukturelementet för det stora membranet samtidigt som det fungerar som en strömavtagare. Ramanathans team kunde tillverka membranchips som var 5 mm breda, kombinerar hundratals av dessa marker till SOFC-skivor i palmstorlek.
Medan andra forskare tidigare försök att implementera det metalliska nätet visade strukturell framgång, Ramanathans team är först med att demonstrera en fullt fungerande SOFC i denna skala. Deras bränslecells effekttäthet på 155 milliwatt per kvadratcentimeter (vid 510 grader Celsius) är jämförbar med effekttätheten för mikro-SOFC.
När den multipliceras med den mycket större aktiva arean av denna nya bränslecell, att effekttätheten översätts till en uteffekt som är tillräckligt hög för relevans för bärbar kraft.
Tidigare arbete i Ramanathans labb har utvecklat mikro-SOFC som är helt keramiska eller som använder metan som bränslekälla istället för väte. Forskarna hoppas att framtida arbete med SOFC kommer att införliva dessa teknologier i de storskaliga bränslecellerna, förbättra deras överkomliga priser.
Under de kommande månaderna, de kommer att utforska designen av nya nanostrukturerade anoder för alternativa vätebränslen som kan användas vid dessa låga temperaturer och arbeta för att förbättra elektrodernas mikrostrukturella stabilitet.
