Kädessä pidettävä polttokennoreaktori

Nykyaikaiset teknologiat vaativat usein kannettavia virtalähteitä, joilla on suuri energiatiheys – vaatimus, johon perinteiset akkuteknologiat eivät ole valmiita. Esimerkiksi litiumioniakut ovat jo saavuttamassa teoreettiset rajansa, mutta ne eivät vieläkään kestä pitkiä drone-lentoja.

Tämän ratkaisemiseksi tiedemiehet ovat keskittyneet kiinteäoksidipolttokennoihin (SOFC) seuraavan sukupolven virtalähteenä. Ne muuntavat vetypitoisia polttoaineita suoraan sähköksi korkealla hyötysuhteella ja energiatiheydellä, saavuttaen jopa nelinkertaisesti nykyisten akkujen gravimetrisen energiatiheyden.

Huolimatta valtavasta potentiaalistaan reunalaitteissa, SOFC-polttokennoja on käytetty enimmäkseen laajamittaisissa kiinteissä tai teollisissa sovelluksissa koska ne toimivat yli 600 °C:n lämpötiloissa. Siten näiden reaktoreiden pienentäminen kannettaviin tarkoituksiin aiheuttaa massiivista lämpöjännitystä sisä- ja ulkomateriaalien välisten jyrkkien lämpötilaerojen vuoksi.

Tämän haasteen ratkaisemiseksi tohtori Tetsuya Yamadan johtama tutkimusryhmä Institute of Science Tokiosta on kehittänyt onnistuneesti kämmenellä pidettävän SOFC-mikroreaktorin. Sen innovatiivinen rakenne, ratkaisee lämpöjännityksen ongelman ja eristysratkaisu pitää laitteen ulkopinnan viileänä ja turvallisena koskettaa.

Ratkaisun keskeinen osa on yttriastabiloidun zirkoniumoksidista (YSZ) valmistetun keraamisen rakenteen käyttö. Tiimi yhdisti tämän kestävän rakenteen kevyeen monikerroksiseen eristysjärjestelmään säteilylämpöhäviöiden estämiseksi, eristäen SOFC:n erittäin korkeat lämpötilat ulkomaailmasta.

Lopullinen laite kykeni saavuttamaan 600 °C:n käyttölämpötilansa viidessä minuutissa – merkittävä nopeutuminen verrattuna useimpien suurten SOFC-reaktorien vaatimaan puoleen tuntiin. ”Skaalaamalla perinteiset kiinteät polttokennot kämmenen kokoisiksi tämä työ avaa tien kannettaviin energiajärjestelmiin ja osoittaa potentiaalin korkean energiatiheyden omaaville, sähköverkon ulkopuolisille virtalähteille, jotka pystyvät syöttämään sähköä suoraan reunalaitteisiin”, Yamada huomauttaa.

Tutkijat osoittivat myös luontaisen turvamekanismin nopeaa lämpötilan nousua vastaan. "Kun eristysrakenne puhkaistaan, lämmöneristyksen menetys aiheuttaa nopean lämpötilan laskun, jolloin järjestelmä laskee vedyn syttymisriskiä koskevan lämpötila-alueen alapuolelle viiden minuutin kuluessa ja estää mahdolliset vaarat", Yamada toteaa. Kaiken kaikkiaan

Tämä työ luo uuden, skaalautuvan alustan miniatyrisoidulle SOFC-teknologialle, joka tasoittaa tietä seuraavan sukupolven turvallisille virtalähteille robotiikalle, droneille ja tulevaisuuden tekoälyreunalaitteille.

Aiheesta aiemmin:

Huoneenlämmössä syntetisoitu tehokas polttokennokatalyytti

Polttokenno toimii maaperässä ikuisesti

Polttokennoja ohentaen