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Eine coole Mikrobrennstoffzelle
Festoxid-Brennstoffzellen laufen effizient mit einer Vielzahl konventioneller Kraftstoffe und Biokraftstoffe, aber ihre hohen Betriebstemperaturen schränken ihre Anwendungen ein. Viele Forscher arbeiten an diesem Problem und entwickeln neue Elektroden- und Elektrolytmaterialien, die bei niedrigeren Temperaturen arbeiten, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Nun haben Forscher in Japan eine Hochleistungs-Mikrobrennstoffzelle demonstriert, die dank einer umstrukturierten Elektrode bei niedrigeren Temperaturen arbeitet.
Kühler Kraftstoff: Diese Festoxid-Brennstoffzelle hat eine Leistung von einem Watt bei 600 Grad Celsius und hat einen Durchmesser von etwa zwei Millimetern. Seine Größe und Betriebstemperatur könnte es zu einer geeigneten Stromquelle für den Schnellstart tragbarer Geräte machen.
Die Zelle eignet sich für tragbare Stromquellen, die eine schnelle Inbetriebnahme erfordern, sowie für Hilfsenergie für Automobile, sagt Toshio Suzuki, Forscher am japanischen National Institute of Fortschrittliche Industriewissenschaft und Technologie . Suzuki leitete die Entwicklung der neuen Brennstoffzelle, die heute in der Zeitschrift beschrieben wird Wissenschaft . Die Zelle ist röhrenförmig und hat einen Durchmesser von etwa zwei Millimetern; seine Leistung beträgt etwa ein Watt bei 600 Grad Celsius. Konventionelle Festoxid-Brennstoffzellen arbeiten bei Temperaturen über 700 Grad.
Festoxid-Brennstoffzellen erzeugen einen elektrischen Strom, indem sie der Luft Sauerstoff entziehen und damit Brennstoff oxidieren. Sauerstoff kommt durch die Kathodenseite, Brennstoff durch die Anodenseite; die beiden reagieren im Elektrolyten und bilden je nach Brennstoffart als Abfallprodukte Wasser und Kohlendioxid. Diese Reaktion ist effizienter als herkömmliche Generatoren. Festoxidbrennstoffzellen sind auch effizienter als der andere vorherrschende Brennstoffzellentyp, der teure Platinkatalysatoren und eine verschmutzende Polymermembran verwendet und nur mit Wasserstoff betrieben wird.
Festoxid-Brennstoffzellen sind flexibler, leistungsstärker und haben kein Kontaminationsproblem, sagt Eric Wachsman , Direktor des Florida Institute for Sustainable Energy und Lehrstuhl für Materialwissenschaften und -technik an der University of Florida. Das Problem bei diesen Geräten, sagt Wachsman, seien die Betriebstemperaturen. Dies bedeutet, dass eine lange Aufwärmzeit erforderlich sein kann, die Sie in einem Mobiltelefon nicht verwenden können. Durch die hohen Temperaturen verschleißt auch die Batteriezelle.
Suzukis Gruppe schuf eine Stromquelle mit einer niedrigeren Betriebstemperatur, indem sie die Struktur der Anode verbesserte, in der der Brennstoff eindringt. Die japanische Gruppe verwendete konventionelle Techniken wie Lithographie und Ätzen, um Anoden mit unterschiedlichen Porositätsgraden herzustellen. Die leistungsstärkste Anode war eine sehr poröse Struktur auf Basis von Nickeloxid, einem herkömmlichen Material für diese Elektroden. Suzuki sagt, dass sie sich für die Verwendung vorhandener Materialien entschieden haben, da sich ihre Leistung im Laufe der Zeit bewährt hat. Dies seien zuverlässige Materialien für die Langzeitstabilität und hätten einen Kostenvorteil gegenüber anderen neuen Materialien für Niedertemperatur-Festoxid-Brennstoffzellen, erklärt er.
Die Leistung ist ohne Zweifel ganz gut, sagt Harry Tuller , Professor für Keramik und elektronische Materialien am MIT. Dies ist eine schöne systematische Studie, die die evolutionären Auswirkungen der nachgewiesenen Verbesserungen der Elektrode zeigt, sagt er. Tuller warnt jedoch davor, dass die Elektroden und der Elektrolyt mit kleinen Mengen teurer Materialien dotiert sind, die die Zellen kostspieliger machen könnten. Die Anode enthält neben Nickeloxid eine geringe Menge des seltenen Elements Scandium.
Wachsman sagt, dass es schwierig ist, die Betriebstemperatur dieser Zellen zu senken, ohne Kompromisse bei der Leistungsabgabe einzugehen. Außerdem arbeitet er an neuen Festoxid-Brennstoffzellen-Elektrodenstrukturen. Mit einem anderen Materialsatz und einem ähnlichen Ansatz demonstrierte Wachsman kürzlich eine Brennstoffzelle mit einer neu strukturierten Anode und einem neuen Elektrolyten für eine Leistung von zwei Watt pro Quadratzentimeter bei 650 Grad. Diese Arbeit ist in der Zeitschrift beschrieben Elektrochemie-Kommunikation .
Suzuki sagt, seine Gruppe sei in Gesprächen mit mehreren Unternehmen über die Kommerzialisierung der Zellen.