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Raffreddamento delle celle a combustibile ad ossido solido
La startup SiEnergy Systems ha superato un'importante barriera alla commercializzazione di celle a combustibile ad ossido solido con un prototipo che opera a temperature inferiori di centinaia di gradi rispetto a quelle oggi sul mercato. Lavorare con il professore di scienza dei materiali di Harvard Shriram Ramanathan , SiEnergy Systems, con sede a Boston, ha dimostrato una cella a combustibile ad ossido solido che può funzionare a 500 gradi Celsius, rispetto agli 800-1.000 gradi richiesti dai dispositivi esistenti. Ciò consente alla cella, che utilizza un elettrolita a film sottile supportato meccanicamente da una griglia metallica, di essere molto più grande di dispositivi simili fabbricati prima, nell'ordine dei centimetri di area, la dimensione necessaria per le applicazioni pratiche, piuttosto che dei micrometri.
Cellule stabili: Questo elettrolita ultrasottile a cella a combustibile è stabilizzato da una griglia metallica. La membrana sottostante è visibile attraverso i fori rotondi della griglia, ognuno dei quali ha un diametro di circa 100 micrometri.
Le celle a combustibile ad ossido solido, che possono alimentare una varietà di combustibili tra cui diesel o gas naturale, portano ossigeno dall'aria da ridurre al catodo, e quindi passano gli ioni di ossigeno attraverso una membrana elettrolitica di ossido solido all'anodo, dove il carburante viene ossidato per produrre elettroni che vengono estratti dal dispositivo. Le loro elevate temperature di esercizio sono dettate dal fatto che gli ioni si muovono più rapidamente attraverso l'elettrolita a temperature più elevate.
Se l'elettrolita è molto sottile, solo poche centinaia di nanometri, una cella a combustibile ad ossido solido può funzionare a temperature più basse. Tali elettroliti possono alimentare dispositivi dimostrativi molto piccoli, ma fino al lavoro di SiEnergy e Ramanathan, nessuno era stato in grado di realizzare una membrana di ossido solido ultrasottile abbastanza grande per dispositivi pratici, afferma Harry Tuller , professore di scienza e ingegneria dei materiali al MIT. La sfida è stata che i film, essendo così sottili, sono fragili e si strappano facilmente durante la lavorazione o durante i cicli di riscaldamento e raffreddamento, afferma Tuller. Quando riscaldati e raffreddati, i diversi materiali di cui sono composti si espandono e si contraggono a velocità diverse, danneggiando il delicato film. Noi e altri abbiamo cercato di sostenere i film con uno o più supporti strutturali, dice, ma non siamo riusciti a farlo su un'area così vasta.
In un articolo pubblicato sulla rivista Nanotecnologia della natura , i ricercatori descrivono la creazione di una membrana elettrolitica più stabile sia termicamente che meccanicamente. Hanno iniziato con una membrana elettrolitica spessa 100 nanometri composta da zirconia e ittrio. Hanno depositato sopra di esso una griglia metallica di supporto, per tenere in posizione la membrana mentre veniva riscaldata e raffreddata e, poiché la griglia era fatta di materiale conduttivo, per fungere da anodo. Hanno combinato questo con un catodo denso e ad alte prestazioni precedentemente sviluppato da Ramanathan. Nel loro lavoro pubblicato, SiEnergy ha dimostrato array di celle a combustibile di circa cinque millimetri quadrati ciascuno. Ramanathan afferma che il metodo può essere scalato fino alle aree della scala centimetrica necessarie per i dispositivi.
Il direttore generale di SiEnergy, Vincent Chun, afferma che questa è solo una prima dimostrazione e che l'azienda sta ora lavorando per integrare le celle a combustibile sottili in sistemi completi e testare i combustibili. Chun spera che le celle a combustibile dell'azienda risparmieranno sui costi dei materiali perché sono così sottili. Chun afferma che l'azienda prevede di offrire sostituti per generatori diesel e sistemi di riscaldamento domestico e di generazione di energia.