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Abkühlung von Festoxid-Brennstoffzellen
Das Startup-Unternehmen SiEnergy Systems hat mit einem Prototypen, der bei Temperaturen um mehrere hundert Grad niedriger als heute auf dem Markt arbeitet, ein großes Hindernis für die Kommerzialisierung von Festoxid-Brennstoffzellen überwunden. Zusammenarbeit mit Harvard-Professor für Materialwissenschaften Shriram Ramanathan , SiEnergy Systems mit Sitz in Boston hat eine Festoxid-Brennstoffzelle demonstriert, die bei 500 Grad Celsius betrieben werden kann, im Gegensatz zu den 800 bis 1.000 Grad Celsius, die bei bestehenden Geräten erforderlich sind. Dadurch kann die Zelle, die einen mechanisch von einem Metallgitter getragenen Dünnschichtelektrolyten verwendet, viel größer sein als vergleichbare zuvor hergestellte Geräte – in der Größenordnung von Zentimetern, die für praktische Anwendungen benötigt werden, statt Mikrometer.
Stabile Zellen: Dieser ultradünne Brennstoffzellen-Elektrolyt wird durch ein Metallgitter stabilisiert. In den runden Löchern im Gitter, die jeweils einen Durchmesser von etwa 100 Mikrometer haben, ist die darunterliegende Membran durchsichtig.
Festoxid-Brennstoffzellen, die eine Vielzahl von Kraftstoffen wie Diesel oder Erdgas betreiben können, bringen Sauerstoff aus der Luft ein, um an der Kathode reduziert zu werden, und leiten dann die Sauerstoffionen durch eine Festoxid-Elektrolytmembran zur Anode, wo Der Brennstoff wird oxidiert, um Elektronen zu erzeugen, die aus dem Gerät gezogen werden. Ihre hohen Betriebstemperaturen werden dadurch bedingt, dass sich die Ionen bei höheren Temperaturen schneller durch den Elektrolyten bewegen.
Wenn der Elektrolyt sehr dünn ist – nur wenige hundert Nanometer dick – kann eine Festoxid-Brennstoffzelle bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden. Solche Elektrolyte können sehr kleine Demonstrationsgeräte antreiben, aber bis zur Arbeit von SiEnergy und Ramanathan war niemand in der Lage, eine ultradünne Festoxidmembran groß genug für praktische Geräte herzustellen, sagt Harry Tuller , Professor für Materialwissenschaften und -technik am MIT. Die Herausforderung bestand darin, dass die Folien, die so dünn sind, brüchig sind und während der Verarbeitung oder während der Heiz- und Kühlzyklen leicht reißen, sagt Tuller. Beim Erhitzen und Abkühlen dehnen sich die verschiedenen Materialien, aus denen sie bestehen, unterschiedlich schnell aus und ziehen sich zusammen, wodurch die empfindliche Folie beschädigt wird. Wir und andere haben versucht, die Filme durch eine oder mehrere Stützen zu stützen, sagt er, aber es ist nicht so großflächig gelungen.
In einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Natur Nanotechnologie , beschreiben die Forscher, eine Elektrolytmembran herzustellen, die sowohl thermisch als auch mechanisch stabiler ist. Sie begannen mit einer 100 Nanometer dicken Elektrolytmembran aus Zirkonoxid und Yttrium. Darauf legten sie ein stützendes metallisches Gitter, das die Membran während des Erhitzens und Abkühlens in Position hielt und, da das Gitter aus leitfähigem Material bestand, als Anode diente. Sie kombinierten dies mit einer zuvor von Ramanathan entwickelten dichten Hochleistungskathode. In ihrer veröffentlichten Arbeit hat SiEnergy Arrays von Brennstoffzellen gezeigt, die jeweils etwa fünf Quadratmillimeter groß sind. Ramanathan sagt, dass die Methode auf die für Geräte benötigten Bereiche im Zentimeterbereich skaliert werden kann.
Der General Manager von SiEnergy, Vincent Chun, sagt, dies sei nur eine erste Demonstration und das Unternehmen arbeite jetzt daran, die dünnen Brennstoffzellen in Gesamtsysteme zu integrieren und Brennstoffe zu testen. Chun hofft, dass die Brennstoffzellen des Unternehmens Materialkosten einsparen, weil sie so dünn sind. Chun sagt, das Unternehmen plant, Ersatz für Dieselgeneratoren und Heimheizungs- und Stromerzeugungssysteme anzubieten.