Nanovezelkathodes versterken brandstofcellen
Een microadditief van materiaal met negatieve thermische expansie (NTE) en een nanovezelkathodestructuur verbeteren de efficiëntie en duurzaamheid van vaste-oxidebrandstofcellen aanzienlijk. Dit innovatieve idee is ontstaan aan de AGH Universiteit voor Wetenschap en Technologie in Krakau, waar ook teams uit Denemarken en China aan deelnamen.
Wat zijn vaste-oxidebrandstofcellen (SFC's)? Kort gezegd zijn het miniatuur elektrochemische energiecentrales met hoge temperaturen. In plaats van brandstof met een vlam te verbranden, voeren ze reacties uit op het oppervlak van twee elektroden die gescheiden zijn door een keramische elektrolyt. Dit stelt hen in staat om chemische energie direct om te zetten in elektriciteit, met een hoge efficiëntie en lage emissies. Ze hebben echter een achilleshiel: ze werken bij zeer hoge temperaturen (honderden graden Celsius) en verschillende lagen van het apparaat zetten met verschillende snelheden uit. Bij elke opstart en afkoeling veroorzaakt deze ongelijke uitzetting spanning, microscheurtjes en prestatievermindering, met name op het grensvlak tussen kathode en elektrolyt.
Wetenschappers stellen een verrassend eenvoudige oplossing voor: ze voegen een kleine hoeveelheid van een stof toe aan het kathodemateriaal dat krimpt naarmate de temperatuur stijgt (dit wordt negatieve thermische uitzetting – NTE) genoemd. Hierdoor rekt één deel van de elektrode uit terwijl het andere deel loslaat, wat de algehele prestaties van de elektrolyt verbetert. Het tweede aspect van succes is geometrie: de kathode is gevormd als een dichte mat van nanovezels (elektrospinnen), waardoor een weefsel van dunne draden ontstaat met een groot oppervlak en goede zuurstoftransportpaden.
De voordelen zijn meetbaar. Bij temperaturen rond de 800 °C ervaren NTE-gedoteerde kathodes een reductie van meer dan 50 procent in polarisatieweerstand ten opzichte van het uitgangsmateriaal, en behaalt een enkele cel ongeveer 0,85 W per vierkante centimeter piekvermogen – een toename van 40 procent. Even belangrijk is dat de uitzettingsafwijking tussen de kathode en de elektrolyt aanzienlijk afneemt (van waarden van enkele tientallen procenten tot waarden dicht bij nul), waardoor het risico op scheurvorming tijdens verwarmings- en afkoelcycli afneemt. Met andere woorden, de cel werkt efficiënter en gaat langer mee.
In hun artikel, gepubliceerd in "Applied Catalysis B: Environment and Energy" (https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125950), legt het team ook de oorzaak van dit ongewone thermische gedrag uit. Spectraalanalyse toont veranderingen in de trillingen van het kristalrooster met de temperatuur, en theoretische berekeningen geven aan dat deze toevoeging de structuur stabiliseert en het zuurstoftransport onder bedrijfsomstandigheden bevordert. Dit is belangrijk omdat deze analyses een ontwerpformule opleveren: selecteer het NTE-gedeelte zo dat het de thermische zwelling van de kathode in evenwicht brengt zonder de activiteit ervan te onderdrukken.
De combinatie van thermische aanpassing (expansiecompensatie) met nanoschaalarchitectuur (nanofibers) is ook technologisch aantrekkelijk, omdat de methode schaalbaar is. Er zijn geen exotische componenten nodig en de technologie werkt precies waar brandstofcellen ondersteuning nodig hebben: op het grensvlak tussen materialen. Dergelijke micro-energiecentrales kennen een breed scala aan toepassingen: van warmtecentrales en ziekenhuizen tot industriële installaties en transport.
Vaste-oxide brandstofcellen worden beschouwd als energiebronnen met een lage emissie omdat ze elektrochemisch (zonder vlam) elektriciteit opwekken, waardoor de typische luchtverontreinigende stoffen (NOx, SOx) worden verminderd. Wanneer ze worden aangestuurd door waterstof of biogas, maken ze een zeer schone werking mogelijk. Zelfs bij gebruik van aardgas als brandstof is de hoeveelheid geproduceerde koolstofdioxide veel lager dan bij conventionele generatoren, en warmteterugwinning is ook mogelijk in warmtekrachtkoppeling.
Bedrijven die dergelijke cellen al commercieel produceren, zijn onder andere Bloom Energy in de VS, Kyocera in Japan en SolydEra en Elcogen in Europa. De eerste productie-initiatieven ontstaan in Polen: HydrogenTech uit Krakau produceert commerciële vaste-oxidecellen en biedt testfaciliteiten voor waterstofprojecten, terwijl laboratoriumcellen worden geproduceerd door het Institute of Power Engineering – National Research Institute.
Krzysztof Petelczyc (PAP)
km/bar/
De PAP Foundation staat het gratis overnemen van artikelen van de website van Nauka w Polsce toe, mits u ons maandelijks per e-mail op de hoogte stelt van uw gebruik van de website en de bron van het artikel vermeldt. Vermeld op portals en websites het gelinkte adres: Bron: naukawpolsce.pl, en in tijdschriften de annotatie: Bron: Nauka w Polsce website - naukawpolsce.pl. Deze toestemming geldt niet voor informatie in de categorie "Wereld" of voor foto's of videomateriaal.
naukawpolsce.pl
