Koolstof zou een efficiënte energiedrager kunnen zijn voor solid-oxide brandstofcellen, maar het gevormde CO2 vertraagt het werkelijke verbrandingsproces: oxidatie van koolmonoxide. De energiedichtheid van de cel daalt. Onderzoekers van de Technische Universität Nanjing en de Curtin University in Perth beschrijven een nieuw soort ionen geleidend keramisch membraan. Dit membraan is volledig dicht voor andere gassen, maar doorlaatbaar voor CO2. In een buisvormige solid-oxide brandstofcel met koolstof als energiedrager kan het CO2 efficiënt worden afgevoerd waardoor de capaciteit van de cel toeneemt.
Batterijen worden overal toegepast, maar zijn zeker geen optimale energieleveranciers. De energiedichtheid en veiligheid zijn nog steeds voor verbetering vatbaar, met name een thema voor lithium-ion accumulatoren. De onderzoekers uit het Verre Oosten bewandelen een andere weg en ontwikkelen verder aan de solid-oxide brandstofcel (SOFC).
In hun nieuwe koolstof-lucht-batterij vormt koolstof de energiedrager, waarbij het reservoir buisvormig wordt omkleed met de anode. Het kenmerkende aan deze elektrochemische cel is echter het deksel aan de bovenkant met een speciaal keramisch membraan, dat alleen CO2 doorlaat en andere gassen efficiënt afscheidt.
Werkingsprincipe
CO2 wordt in de elektrochemische cel gevormd aan de positieve elektrode. Het reageert met koolstof tot koolmonoxide, de eigenlijke brandstof. Door de snelle diffusie aan de anode zijn hoge reactiesnelheden mogelijk, maar het aanwezige CO2 vertraagt dit proces.
Het was vrij kostbaar om het CO2 efficiënt te scheiden. Keramische membranen bezitten een hoge doorlaatcapaciteit voor carbonaat, maar de efficiënte doorlaat voor CO2 hangt in dit geval vooral af van de doorlaat van zuurstofionen, zoals de auteurs hebben vastgesteld. Ze kozen daarom met samarium gedoteerd Ceroxide (SDC) als nieuw materiaal, dat goed geleidend is voor ionen en na een sinterproces een medium vormt met uitstekende geleidingspaden voor zuurstofionen.
Koolstof-lucht-batterij
De lege ruimtes in het frame werden met gesmolten carbonaat gevuld, resulterend in een sterk gecomprimeerd twee fasen membraan van SDC-carbonaat. Dit membraan was niet alleen absoluut dicht voor gassen maar ook, afhankelijk van de temperatuur, doorlaatbaar voor CO2.
De sterke verhoging van de doorlaatbaarheid ligt volgens de onderzoekers waarschijnlijk aan de sterk verbeterde verdichting van het membraan door de nieuwe techniek. De koolstof-lucht-cel bereikt bij de specifieke bedrijfstemperaturen voor SOFC’s (tot circa 850 °C) een interessante vermogensdichtheid en bedrijfsspanning. Als toepassingsgebieden hebben de onderzoekers vooral draagbare energievoorziening op het oog.