211service.com
Eine coole Brennstoffzelle
Ein neuer Elektrolyt für Festoxid-Brennstoffzellen , der von Forschern in Spanien hergestellt wurde, arbeitet bei Temperaturen, die Hunderte von Grad niedriger sind als die herkömmlicher Elektrolyte, was dazu beitragen könnte, solche Brennstoffzellen praktischer zu machen.
Leitfähige Kristalle: Eine rastertransmissionselektronenmikroskopische Aufnahme zeigt die Kristallstruktur eines neuen Elektrolytmaterials für Festoxid-Brennstoffzellen, das bei Raumtemperatur gut funktioniert.
Jacobo Santamaria , von der Abteilung für angewandte Physik der Universidad Complutense de Madrid in Spanien, und seine Kollegen haben einen Yttriumoxid-stabilisierten Zirkonoxid-Elektrolyten, einen in Festoxid-Brennstoffzellen üblichen Elektrolyten, so modifiziert, dass er bei knapp über Raumtemperatur funktioniert . Normalerweise erfordern solche Elektrolyte Temperaturen von mehr als 700 °C. In Kombination mit Verbesserungen an den Brennstoffzellenelektroden könnte dies die Betriebstemperatur dieser Brennstoffzellen senken.
Festoxidbrennstoffzellen sind vielversprechend für Kraftwerke der nächsten Generation, da sie effizienter sind als konventionelle Generatoren wie Dampfturbinen und eine größere Vielfalt an Brennstoffen verwenden können als andere Brennstoffzellen. Sie können unter anderem mit Benzin, Diesel, Erdgas und Wasserstoff Strom erzeugen. Doch die für einen effizienten Betrieb erforderlichen hohen Temperaturen machen Festoxid-Brennstoffzellen teuer und schränken ihre Einsatzmöglichkeiten ein. Der von den spanischen Forschern berichtete Niedertemperatur-Elektrolyt könnte eine enorme Verbesserung für Festoxid-Brennstoffzellen sein, sagt Eric Wachsman , Direktor des Florida Institute for Sustainable Energy an der University of Florida.
In einer Festoxid-Brennstoffzelle wird Sauerstoff in eine Elektrode und Brennstoff in die andere eingespeist. Der Elektrolyt lässt Sauerstoffionen von einer Elektrode zur anderen wandern, wo sie sich mit dem Brennstoff verbinden; im einfachsten Fall, in dem Wasserstoff der Brennstoff ist, entsteht Wasser und setzt Elektronen frei. Der Elektrolyt verhindert, dass die Elektronen direkt zurück zur Sauerstoffseite der Brennstoffzelle gelangen, sondern zwingt sie stattdessen, durch einen externen Kreislauf zu wandern und Strom zu erzeugen. Über diesen Umweg gelangen sie schließlich zur Sauerstoffelektrode, wo sie sich mit Sauerstoffgas zu Sauerstoffionen verbinden und den Kreislauf fortsetzen.
Der Elektrolyt – ein Feststoff – leitet normalerweise nur Ionen bei hohen Temperaturen. Santamaria fand in Anlehnung an frühere Arbeiten anderer Forscher heraus, dass die Ionenleitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen durch die Kombination von Schichten der Standardelektrolytmaterialien mit 10 Nanometer dicken Schichten aus Strontiumtitanat stark verbessert werden könnte. Er fand heraus, dass sich aufgrund der Unterschiede in der Kristallstruktur der Materialien eine große Anzahl von Sauerstoffleerstellen – Stellen innerhalb der kristallinen Strukturen der Materialien, die normalerweise ein Sauerstoffatom beherbergen würden – dort gebildet wurden, wo diese beiden Materialien aufeinandertreffen. Diese Leerstellen bilden Pfade, die es den Sauerstoffionen ermöglichen, sich durch das Material zu bewegen, wodurch die Leitfähigkeit der Materialien bei Raumtemperatur um den Faktor 100 Millionen verbessert wird.
Das Material ist noch weit davon entfernt, in kommerzielle Brennstoffzellen eingebaut zu werden. Zum einen muss die starke Verbesserung der Ionenleitfähigkeit weiter überprüft werden, sagt Wachsman, insbesondere angesichts der Schwierigkeit, die Leistung extrem dünner Materialien zu messen. Zweitens erfordert die Richtung der verbesserten Leitfähigkeit – entlang der Materialebene und nicht senkrecht dazu – eine Neukonstruktion der heutigen Brennstoffzellen. Der limitierende Faktor für die Temperatur in Brennstoffzellen sind mittlerweile zudem die Elektrodenmaterialien. Bevor Festoxid-Brennstoffzellen bei Raumtemperatur möglich werden, müssen auch diese verbessert werden.
Sollten sich jedoch erste Ergebnisse durch zukünftige Forschungen bestätigen, werden die neuen Materialien einen bedeutenden Fortschritt darstellen. Ivan Schuller , ein Physikprofessor an der University of California in San Diego, sagt, dass dies eine große Veränderung in der Leistungsfähigkeit von Elektrolyten bedeutet. Er fügt hinzu: Es wird sicherlich viele neue Arbeiten von anderen motivieren.