Tänk dig en bil som körs på vätgas från solenergi och producerar vatten istället för koldioxidutsläpp. Även fordon som detta inte kommer att finnas på marknaden inom en snar framtid, University of Wisconsin-Madison är forskare gör inkrementella men viktiga framsteg när det bränslecellstekniken som kan göra miljöbilar verklighet.
Materialvetenskap och teknik biträdande professor Dane Morgan och Ph.D. elev Edward (Ted) Holby har utvecklat en beräkningsmodell som kan optimera en viktig del av bränsleceller, som gör det möjligt för tekniken att ha en mer utbredd användning. I huvudsak undersöker de hur partikelstorlek hänför sig till den övergripande stabiliteten hos ett material, och deras modell har visat att ökad partikelstorlek en bränslecell katalysator minskar nedbrytning och därmed ökar den användbara livstiden för en bränslecell.
Bränsleceller är elektrokemiska apparater som underlättar en reaktion mellan väte och syre, som producerar elkraft och bildar vatten. I den typ av bränsleceller Morgan forskar, kallas Proton Exchange PEM bränsle, eller PEMFCs är väte delas upp i en proton och elektron på ena sidan av bränslecellen (anoden). Den proton rör sig genom enheten medan elektronen är tvungen att färdas i en yttre krets, där den kan utföra nyttigt arbete. På andra sidan av bränslecellen (katoden), protoner, elektroner och syre bildar vatten, som är den enda restprodukten.
Även om premissen låter enkelt, det finns flera hinder att producera effektiva bränsleceller för allmän användning. En av dessa hinder är katalysatorn läggas till stöd reaktionen mellan protoner, elektroner och syre vid katoden. Aktuell bränsleceller använda platina och legeringar platina som katalysator. Medan platina tål den korrosiva miljön bränslecellen, det är dyrt och inte särskilt riklig.
För att maximera platina användning, forskare använder katalysatorer gjorts med platina partiklar så små som två nanometer, som är ungefär 10 atomer i diameter. Dessa små strukturer har en stor yta där bränslecellen uppträder. Men platina katalysatorer denna lilla bryts ned mycket snabbt.
"Stabiliteten i bulk kontra nanopartiklar material kan förstås intuitivt genom att tänka på ost", säger Morgan. "När du lämnar en stor bit av ost ut och kanterna blir knaprig, är ytan förstörs, men du kan klippa att stänga och det finns fortfarande en hel del ost insidan som är bra.
"Men om du Smula osten i små bitar och lämna ut det, förstör du alla dina ost, eftersom en större del av osten på ytan."
Snabb katalysator nedbrytning innebär att bränslecellen varar inte länge, och US Department of Energy beräknar bränsleceller måste fungera för 5000 timmar, eller cirka sju månader av kontinuerlig användning, för att vara praktiskt för fordonsindustrin energilösningar.
Morgan och Holby, som arbetar i samarbete med professor Yang Shao-Horn från Massachusetts Institute of Technology, har hittat en möjlig lösning på den snabba försämringen problemet: När det gäller att katalysator partikelstorlek, ibland mindre inte bättre.
Deras modelleringsarbete, som finansieras av 3M och US Department of Energy, visar att om partikelstorlek en platina katalysator ökas till fyra eller fem nanometer, vilket är ungefär 20 atomer över, graden av nedbrytning signifikant minskar. Detta innebär att katalysatorn och bränslecellen som helhet kan fortsätta att fungera mycket längre än om partikelstorleken var bara två eller tre nanometer.
Den forskning om den grundläggande fysiken i partikelstorlek kommer att vara användbar som forskare utvidga sin platina studier att utforska platina legeringar, som kan minska platina förbrukningen när de används som katalysatorer bränslecell. Morgan börjar forskning för att studera storleken effekter på stabiliteten i platina legeringar, såsom koppar-platina och kobolt-platina katalysatorer.
"Bränsleceller är bara en av många energiteknik - sol, batteri, etc. - med enorm potential att minska vårt beroende av olja och våra koldioxidutsläpp", säger Morgan. "Datorsimulering erbjuder ett kraftfullt verktyg för att förstå och utveckla nya material i hjärtat av dessa energiteknik."