Bättre bränsleceller med kvantmekanik
Bränsleceller måste bli effektivare för att utgöra ett verkligt alternativ till traditionella energikällor – och materialvalet är avgörande för hur effektiva de är. Nya rön från forskare på KTH, Uppsala universitet och Linköpings universitet öppnar nu möjligheter att mycket snabbare än hittills hitta optimala material för bättre bränsleceller.
Med kvantmekaniska beräkningsmetoder har forskarna lyckats hitta ett sätt att bättre förstå kopplingen mellan ett ämnes atomstruktur och dess förmåga att leda syrejoner – något som är viktigt för effektiviteten i bränsleceller som använder fasta oxider som elektrolytmaterial (s.k. fastoxid-bränslecell).
Ju snabbare transporten av syrejoner genom materialet är, desto bättre fungerar bränslecellen. Resultaten presenteras nu i den ansedda amerikanska vetenskapstidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS.
Utvecklingen av bättre material för miljövänliga energikällor står högt på dagordningen världen över. Bränsleceller är exempel på system som omvandlar kemisk energi direkt till elektricitet på ett mycket effektivt sätt (som t.ex. vätgas + syre = vatten + elektrisk ström).
Hittills har man hittat lämpliga elektrolytmaterial genom trial-and-error och empiriska erfarenheter, vilket har lett till att utvecklingen gått långsamt. Många av de material som används i dag har använts i 25 år. De nya beräkningsmetoderna öppnar helt nya möjligheter.
– De metoder vi använder för att teoretiskt beräkna ett ämnes jonledningsförmåga gör det möjligt att testa många fler ämnen än vad som varit möjligt tidigare. Även om beräkningarna tar tid så blir det både snabbare och billigare än att testa alla dessa material praktiskt, säger David Andersson, doktorand vid avdelningen för tillämpad materialfysik på KTH och en av forskarna bakom artikeln.
Forskarna har studerat hur inblandning av små mängder av andra ämnen (dopämnen) i ceriumoxid, CeO2, påverkar hur lätt syrejoner kan transporteras genom materialet. De kvantmekaniska beräkningarna indikerar vilken typ av ämnen som kan vara lämpliga att dopa med – en stor hjälp i arbetet med att optimera framtidens fastoxid-bränsleceller.
Nya elektrolytmaterial ökar inte bara bränslecellernas effektivitet utan kan också bidra till andra användningsområden än tidigare. Dagens fastoxid-bränsleceller arbetar normalt vid temperaturer runt 1000 grader Celsius. Det ställer höga krav på materialen runt bränslecellen, som därmed blir dyra.
– Med andra elektrolytmaterial än i dag skulle arbetstemperaturen och därmed kostnaden för materialen runt bränslecellen kunna sänkas. Lägre temperatur skulle också öppna större möjligheter för bärbara varianter av bränsleceller, säger David Andersson.
Den nya kunskapen gör det också möjligt att förbättra andra tillämpningar där syrejontransporten är betydelsefull, till exempel i sensorer som mäter syremängden i olika miljöer.
Artikeln Optimization of ionic conductivity in doped ceria” publiceras i PNAS utgåva v.7 2006.
Författare: David A. Andersson (KTH), Sergei I. Simak (LiU), Natalia V Skorodumova (UU), Igor A. Abrikosov (LiU) och Börje Johansson (KTH/UU)
Illustration finns på: http://www.kth.se/aktuellt/press/pressmeddelanden/bilder/branslecell.gif
Bildtext till illustration:
”Fastoxid-bränsleceller kan i framtiden komma att förse bostadsområden som Stockholm med elektricitet. I en fastoxid-bränslecell omvandlas kemiskt lagrad energi till elektricitet med hög verkningsgrad. I figuren illustreras detta med den kemiska reaktionen mellan syre och väte som ger vatten (plus elektricitet). I artikeln av Andersson et al. förklaras hur elektrolyten ska konstrueras för att optimera prestanda.”
Kontaktinformation
Kontakt
David Andersson, 08-7908356, 0709-905148, davida@mse.kth.se
Börje Johansson, 070-417 54 52, Borje.Johansson@mse.kth.se
