Το δροσερό νέο υλικό θα μπορούσε να κάνει τις κυψέλες καυσίμου φθηνότερες
Δεν αρκεί για να λειτουργήσει μια νέα τεχνολογία εναλλακτικής ενέργειας. Πρέπει επίσης να είναι αρκετά φθηνό για να ανταγωνιστεί τα παραδοσιακά ορυκτά καύσιμα. Αυτό ήταν ένα μεγάλο εμπόδιο για συσκευές που ονομάζονται κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου (SOFCs) που μετατρέπουν καύσιμα —όπως το μεθάνιο και το υδρογόνο— απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια χωρίς να τα καίνε. Αλλά τώρα οι ερευνητές αναφέρουν ότι έχουν βρει μια νέα συνταγή για να κάνουν πιο φθηνά βασικά εξαρτήματα σε έναν τύπο SOFC, κάτι που θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά το συνολικό του κόστος.
«Πρόκειται για μια εξαιρετική τεχνολογική επίδειξη», λέει η Sossina Haile, επιστήμονας υλικών και ειδικός σε κυψέλες καυσίμου στο Πανεπιστήμιο Northwestern στο Έβανστον του Ιλινόις, η οποία δεν συμμετείχε στην εργασία. "Νομίζω ότι θα δημιουργήσει πολύ ενθουσιασμό."
Μια κυψέλη καυσίμου λειτουργεί σαν μια μπαταρία. Μέσα σε αυτό, δύο ηλεκτρόδια χωρίζονται από έναν ηλεκτρολύτη που αγώγει φορτίο. Στην περίπτωση των SOFC, ο ηλεκτρολύτης αποτελείται από μια στερεή κεραμική μεμβράνη. Στην τυπική εγκατάσταση, ο αέρας τροφοδοτείται στο αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο ή κάθοδο, όπου τα μόρια οξυγόνου συλλέγουν επιπλέον ηλεκτρόνια. Αυτά τα ιόντα οξυγόνου ταξιδεύουν στη συνέχεια μέσω της μεμβράνης προς τη θετικά φορτισμένη άνοδο. Εκεί αντιδρούν με μόρια στο καύσιμο, παράγοντας νερό, διοξείδιο του άνθρακα και ηλεκτρική ενέργεια. Το ηλεκτρικό ρεύμα τροφοδοτείται μέσω ενός κυκλώματος όπου τροφοδοτεί τις συσκευές μας και στη συνέχεια επιστρέφει στην άνοδο. Όσο τροφοδοτείται καύσιμο, το SOFC συνεχίζει να αντλεί ηλεκτρική ενέργεια.
Τα SOFC έχουν μερικές πολλά υποσχόμενες δυνατότητες. Οι συσκευές παράγουν ηλεκτρική ενέργεια με απόδοση που μπορεί να ταιριάξει με μια μεγάλη μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με φυσικό αέριο. Όμως, ενώ ένα εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής είναι τεράστιο και κοστίζει εκατοντάδες εκατομμύρια δολάρια για να κατασκευαστεί, τα SOFC μπορούν να κατασκευαστούν σε οποιοδήποτε μέγεθος. Αυτό τα καθιστά ελκυστικά ως εφεδρικές πηγές ενέργειας για νοσοκομεία και εργοστάσια παραγωγής, καθώς και για την παραγωγή κατανεμημένων συστημάτων ισχύος που δεν είναι συνδεδεμένα στο δίκτυο.
Αλλά τα SOFC έχουν επίσης τα μειονεκτήματά τους. Στα συμβατικά, οξυγονοαγώγιμα SOFC, η μεμβράνη είναι κατασκευασμένη από ένα κεραμικό που ονομάζεται σταθεροποιημένο με ύττρια ζιρκονία ή YSZ, και τα κύτταρα λειτουργούν πιο αποτελεσματικά στους 800°C έως 1000°C. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να κατασκευάζονται με υλικά ανθεκτικά στη θερμότητα, γεγονός που τα καθιστά πολύ ακριβά για τις περισσότερες εφαρμογές. Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έχουν αρχίσει να εξερευνούν εναλλακτικές μεμβράνες κατασκευασμένες από κεραμικά που ονομάζονται ζιρκονικά βαρίου με πρόσμειξη υττρίου (BZY). Αυτές οι συσκευές λειτουργούν καλύτερα στη μετατροπή του αερίου υδρογόνου και του οξυγόνου σε νερό και ηλεκτρισμό και λειτουργούν ακόμη και σε χαμηλότερες θερμοκρασίες γύρω στους 600°C. Σε αντίθεση με τα συμβατικά SOFC, οι μεμβράνες BZY επιτρέπουν τη ροή όχι αρνητικά φορτισμένων ιόντων οξυγόνου προς την άνοδο, αλλά θετικά φορτισμένων ιόντων υδρογόνου, αντίθετα, προς την κάθοδο. Αλλά ποτέ δεν ταιριάζουν με την ισχύ εξόδου των SOFC που αγώγουν το οξυγόνο.
Τώρα, ο Ryan O'Hayre, ένας επιστήμονας υλικών στο Colorado School of Mines στο Golden, και οι συνεργάτες του βρήκαν έναν τρόπο να ενισχύσουν την ισχύ από τις κυψέλες καυσίμου BZY. Οι ερευνητές υποψιάστηκαν ότι ένα πρόβλημα με τις μεμβράνες BZY ήταν στον τρόπο κατασκευής τους. Η ανάμειξη των διαφορετικών κεραμικών εξαρτημάτων απαιτεί συνήθως τη θέρμανση τους σε θερμοκρασίες έως και 1700°C. Αλλά σε αυτή την ακραία θερμοκρασία, το βάριο εξατμίζεται σε αέριο, γεγονός που καθιστά πιο δύσκολη την ομοιόμορφη ανάμιξή του σε όλο το κεραμικό. Ο O'Hayre και οι συνεργάτες του βοήθησαν πρόσφατα να δημιουργήσουν ένα εναλλακτικό σχήμα ανάμειξης που ονομάζεται αντιδραστική πυροσυσσωμάτωση στερεάς κατάστασης, το οποίο μειώνει τη θερμοκρασία ανάμειξης. Και τώρα ανακάλυψαν ότι προσθέτοντας ίχνη από αυτό που ο O'Hayre αποκαλεί "μαγική σκόνη pixie" - στην πραγματικότητα οξείδιο του χαλκού και οξείδιο του νικελίου - στο κεραμικό τους μείγμα τους επιτρέπει να μειώσουν τη θερμοκρασία στους 1450°C, κάτω από το όριο όπου εξατμίζεται το βάριο . Αυτό, με τη σειρά του, οδήγησε σε πιο ομοιόμορφα μείγματα BZY και βελτιωμένη απόδοση των συσκευών τους.
Η αλλαγή σχεδόν διπλασίασε την ισχύ που παράγεται από ένα μόνο SOFC υδρογόνου, αναφέρουν οι ερευνητές στο τρέχον τεύχος του Science . Όχι μόνο αυτό, αλλά τα νέα κύτταρα ταίριαξαν επίσης με την έξοδο των κυττάρων που αγώγουν ιόντα οξυγόνου. Επιπλέον, οι νέες κυψέλες BZY λειτουργούν καλύτερα στους 500°C περίπου, τη θερμοκρασία γλυκού σημείου που στοχεύει η βιομηχανία κυψελών καυσίμου.
Οι O'Hayre και Haile προειδοποιούν ότι η νέα πρόοδος δεν θα φέρει επανάσταση στη βιομηχανία SOFC εν μία νυκτί. Μέχρι στιγμής, η ομάδα του O'Hayre έχει παράγει μόνο μεμονωμένα κύτταρα. Οι εμπορικές συσκευές, αντίθετα, λειτουργούν συνδέοντας πολλές τέτοιες συσκευές μαζί σε αυτό που είναι γνωστό ως «στοίβα» κυψελών καυσίμου που παράγει περισσότερη ισχύ. Εάν οι μελλοντικές στοίβες SOFC που βασίζονται σε BZY λειτουργούν εξίσου καλά με τις μεμονωμένες συσκευές, τότε θα μπορούσε επιτέλους να δημιουργήσει το σημείο αιχμής που αναζητά η βιομηχανία κυψελών καυσίμου.
