Небольшое напряжение имеет большое значение для снижения производительности топливных элементов

Прочитано: 94 раз(а)
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Оценок пока нет)
Loading ... Loading ...


Многие из нас слишком хорошо знакомы с тем, как напряженность в рабочих отношениях может повлиять на производительность, но новое исследование показывает, что материалы в топливных элементах, производящих электричество, могут быть чувствительны к нагрузке на совершенно другом уровне.

Исследователи из Университета Кюсю сообщают, что напряжение, вызванное сокращением всего на 2% расстояния между атомами при осаждении на поверхность, приводит к колоссальному снижению на 99,999% скорости, с которой материалы проводят ионы водорода , что значительно снижает производительность твердого оксидного топлива . клетки.

Разработка методов снижения этой нагрузки поможет в будущем донести высокоэффективные топливные элементы для производства экологически чистой энергии до более широкого круга домохозяйств.

Способные генерировать электричество из водорода и кислорода, выделяя при этом только воду в качестве «отходов», топливные элементы полагаются на электролит для переноса ионов, образующихся при расщеплении молекул водорода или кислорода, с одной стороны устройства на другую.

Хотя термин «электролит» часто может вызывать образы жидкостей и спортивных напитков, они также могут быть твердыми веществами. Что касается топливных элементов, исследователей особенно интересуют электролиты на основе керамики и твердых оксидов — твердых материалов, состоящих из кислорода и других атомов, — которые проводят положительные ионы водорода, также известные как протоны.

Такие твердые оксиды, проводящие протоны, не только более долговечны, чем жидкости и полимерные мембраны, но также могут работать в диапазоне средних температур от 300 до 600 °C, что ниже, чем у их аналогов, проводящих ионы кислорода.

«Один ключ к хорошей эффективности — заставить протоны через электролит реагировать с кислородом как можно быстрее», — говорит Джунджи Хёдо, автор исследования и доцент Платформы междисциплинарных/трансдисциплинарных энергетических исследований Университета Кюсю (Q -ЯМА).

«На бумаге у нас есть материалы с отличными свойствами, которые должны обеспечить отличные характеристики при использовании в твердооксидных топливных элементах, но фактические характеристики, как правило, намного ниже».

Теперь исследователи думают, что они знают, почему, изучая, что происходит, когда электролит встречается с электродом, вызывающим реакцию.

«Свойства отдельных материалов часто измеряются в условиях, когда на них не влияют окружающие слои — то, что мы называем объемом. подстилающей поверхности, что приводит к отличиям от основной массы», — объясняет Хёдо.

Для своего исследования исследователи сосредоточились на многообещающем оксиде, известном как BZY20, который представляет собой комбинацию атомов иттрия, бария, циркония и кислорода . BYZ20 образует кристалл с общей структурой, которая помещается в куб и повторяется снова и снова на поверхности по мере роста оксида.

Рассматривая образцы различной толщины, они обнаружили, что атомы на краях этого куба на границе между оксидом и поверхностью расположены на 2% ближе, чем в слоях, удаленных от поверхности. Кроме того, эта деформация сжатия снижает протонную проводимость почти до 1/100 000 от того, что она имеет в объемных образцах.

«Изменение всего на 2% — от одного метра до 98 см в больших масштабах — может показаться незначительным, но в устройстве, где взаимодействия происходят в атомном масштабе, это оказывает огромное влияние», — говорит Ёсихиро Ямадзаки, профессор Q- PIT и советник по исследованию.

По мере наращивания слоев эта деформация сжатия медленно уменьшается, и в конечном итоге куб достигает своего предпочтительного размера вдали от поверхности раздела. Но хотя проводимость может быть высокой вдали от поверхности, ущерб уже нанесен.

Учет этой сниженной проводимости при расчете ожидаемых характеристик приводит к значениям, которые согласуются с фактическими характеристиками топливных элементов, что указывает на то, что деформация, вероятно, играет роль в снижении производительности.

«Хотя у нас есть хорошие отдельные материалы, сохранение их свойств при объединении их в устройстве имеет решающее значение. В этом случае мы теперь знаем, что необходимы стратегии для снижения напряжения в месте контакта оксида с электродом», — говорит Ямадзаки.

Исследование было опубликовано в Journal of Physics: Energy.

Небольшое напряжение имеет большое значение для снижения производительности топливных элементов



Новости партнеров