Bir Yakıt Hücresine Oksijen Nasıl Girer?
Bir yakıt hücresinin çalışması için oksitleyici bir ajan gerekir. Bilim insanları, oksijenin yakıt hücrelerine etkin bir şekilde neden giremediğini açıklayan bir yol buldu.
Yakıt hücrelerinde, elektrik üretmek ve su oluşturmak için gerekli oksijen ve hidrojen kombinasyonu gibi basit bir kimyasal reaksiyon gerçekleşmektedir. Fakat, seramik yakıt hücrelerini yaparken en iyi malzeme olarak hangi malzemenin kullanılacağı sorusu basit değildir. Maksimum verimlilik gerektiren bu kimyasal reaksiyon için bir katalizör olarak özellikleri değişmeyen oldukça dayanıklı yeni malzemeler gerekmektedir.
Bu gereksinimleri karşılayabilen malzemeleri geliştirme yönündeki daha önce yapılan çalışmalar, büyük ölçüde deneme-yanılma üzerine kurulmuştur. Bununla birlikte, TU Wien’deki ekip, yakıt hücrelerinin yüzeyine hedeflenerek atomik ölçekte değişikliklerin yapılması ve ölçümlerin aynı anda alınması için bugünlerde yeni bir yol bulmayı başardılar. Sonuç olarak, stronsiyum atomlarının problemli olmasının nedenleri ve kobaltın bir yakıt hücresinde yararlı olabilmesi de dahil olmak üzere, bu önemli olayların açıklanması ilk kez mümkün olmuştur.
Oksijen Kaynağı Tıkanıklığı
Katodda, yakıt hücresinin pozitif ucundaki oksijen, yakıt hücresi malzemesine havadan aktarılır. Elektrikle yüklü oksijen iyonları daha sonra materyal boyunca dolaşarak yakıt (örneğin negatif yüklü taraftaki anotta hidrojen) ile reaksiyona girmek zorunda kalır.
TU Wien Kimya Teknolojileri ve Analitik Enstitüsü’nden Profesör Jürgen Fleig’in liderliğindeki araştırma grubundan , “Bu sürecin içerisindeki engel, katoda oksijenin girmesi işlemidir.” şeklinde açıklıyor. Profesör Andreas Limbeck başkanlığında aynı enstitüde bulunan ekip de bu araştırma projesinde yer aldı.
Yakıt hücreleri, oksijenin yeterince hızlı bir şekilde hücreye girmesini sağlamak için, 700 ile 1000 °C arasında aşırı yüksek sıcaklığa sahip bir ortamda çalıştırılmalıdır. Araştırmacılar, çalışma sıcaklığının düşmesine izin verecek daha iyi katot malzemeleri bulmak için uzun süreden beri çalışmaktadırlar. Githlain Rupp, “Lantan stronsiyum kobaltit veya kısaca LSC de dahil olmak üzere, özellikle ilgi çekici bazı iyi bilinen seçenekler var.” diye açıklıyor. Bu davadaki en büyük sorun, bu malzemelerin uzun süre istikrarlı kalamamasıdır. Aktivitenin ve yakıt hücresi performansının daima düştüğü bir nokta bulunmaktadır. Bu düşüşün kesin sebebini tahmin etmek şimdiye kadar ancak mümkün olmuştur.
Hedeflenen Yüzey Değişiklikleri
Şüphe yoktur ki, oksijenin yakıt hücresine girmeden önce katot yüzeyinde nereye yerleşeceğinin belirlenmesinin hayati bir rolü bulunmaktadır. Bunu göz önünde bulundurarak TU Wien’de ekip, yakıt hücresinin elektriksel özellikleri üzerindeki etkilerinin belirlenmesini ve aynı zamanda ölçümlerin yapılmasına olanak sağlayan, yüzeyde hedef değişiklikleri yapma yöntemini geliştirdi.
Rupp, “Çeşitli materyalleri buharlaştırmak için lazer darbesi kullanıyoruz ve daha sonra yüzeyde küçük hacimler birikiyor. Bu, katot yüzeyinin bileşimini küçük ve hassas dozlarda değiştirmemizi sağlarken; aynı zamanda sistemin direncinin nasıl etkilendiğini izlememize de olanak sağlıyor.” dedi.
Aşırı Stronsiyumun Zararlı Etkisi
Bu şekilde, yüzeyde büyük miktarda stronsiyum içeren materyallerin zararlı bir etkiye sahip olduğunu gösterebildik: “Eğer yüzeyde çok fazla stronsiyum atomu varsa, oksijen hücreye etkili bir şekilde girmemiş demektir. Oksijen katot yüzeyi tarafından çokta eşit olmayan bir şekilde alınır. Örneğin, kobalt atomlarının bulunduğu bazı tercihli noktalarda, oksijen etkin bir şekilde birleştirilir. Ancak, stronsiyumun hakim olduğu noktalarda katoda neredeyse hiç oksijen giremez. ” diyor Rupp. Bu aynı zamanda, yakıt hücrelerinin zamanla bozulmasını da açıklamaktadır; çünkü materyalin içindeki stronsiyum yüzeye göç eder ve sonuçta havayı yakıt hücresinden uzak tutarak, herhangi bir aktif kobalt birikimini de önler.
Bu bulgular, oksijenin temelde LSC gibi materyallere nasıl eklendiği ve yakıt hücrelerinin bozulmasına neden olan işlemler hakkında önemli bilgiler sağlamaktadır. Rupp, “Bu araştırma, yakıt hücresi malzemesi olarak LSC’nin teknik kullanımı için büyük bir adım attı. Dahası, ultra hassas kaplamayı elektriksel ölçüm ile birleştiren yeni araştırma yöntemimizin, katı iyonik alanlardaki diğer önemli uygulamalara da erişeceğinden eminiz. ” dedi.
Kaynak: sciencedaily.com
