Nanoceramics - a new class of proton conductors for hydrogen fuel cells and electrolysers

En ny klasse av nanokeramiske prøver viser høy protonledningsevne ved lave temperaturer. Gjennom NaProCs-prosjektet undersøker vi de fundamentale transportmekanismene i denne nye klassen av materialer for brensels- og elektrolyseceller. Disse nye materialene opererer ved temperaturer egnet for transportsektoren og mobile applikasjoner. Dette kommer på riktig tidspunkt, sett i lys av at de store bilprodusentene nå starter kommersialiseringen av hydrogenbiler og at hydrogen må bli produsert i et desentralisert system basert på fornybar energi. Prosjektet har som mål å bestemme materialstrukturen, ladningsbærere og termodynamikken så vel som transportmekanismen som er involvert i grenseflatene i de nanokeramiske materialene. Den nye forståelsen utnyttes til å forbedre ledningsevnen gjennom å syntetisere nye materialer, sammensetninger og morfologier. Vi har gjennom prosjektet fått en ny forståelse for hvordan protoner beveger på overflatene i porøse keramer, både i det kjemisk bundne vannet og det fysiske, mer flytende vannet. Resulter så langt viser at økende fuktighet og tykkelse på vannlaget øker ledningsevnen med mange størrelsesordener som følge av at vannmolekylene og ladningsbærerne er mindre bundet til overflaten og dermed beveger seg friere. Nye fenomener knyttet til transport over korngrenser er oppdaget og er under publisering ved prosjektets slutt. Resultatene skal etterhvert demonstreres i laboratorieskala hydrogen brenselscelle og forfølges gjennom EU-prosjektsøknader. Prosjektet utdanner en PhD-stipendiat og støtter masterstudier og internasjonale samarbeid på området.

A novel class of nanoceramics recently discovered exhibits true solid-state proton conduction at ambient and moderately elevated temperatures. The applicant at UiO has forwarded a model that explains and in fact predicts the presence and transport of prot ons in external and internal interfaces. This immediately lends itself to explore and improve this novel class of materials and thus develop a new class of fuel cells and other devices for hydrogen, operating at temperatures attractive for transportation and mobile applications. This comes timely when fuel cell cars are making their way to commercialisation and hydrogen needs to be produced in a distributed manner from renewable sources. The project aims to determine firmly the structures, species, and hy dration thermodynamics as well as proton transport mechanisms involved in the interfaces of the known nanoceramics. Then the understanding will be applied to improve the conductivity by designing novel materials, compositions, and morphologies. Finally, t he achievements will be demonstrated in laboratory-scale hydrogen fuel cells. If promising, follow-up applications and commercialisation with SMEs as well as alternative uses will be evaluated. The research will comprise electrochemical impedance spectros copy and thermal methods to determine transport parameters and thermodynamics. DFT simulations will be combined with spectroscopic techniques (solid-state NMR, Raman, XPS, a.o.) in the new UiO-SINTEF AnSpec Gemini centre for surface and interface proton c haracterisation. SINTEF will develop environment-friendly fabrication of the new nanoceramics. Thin film manufacturing techniques (e.g. PLD) will be applied for the demo fuel cells. The project educates a PhD candidate in materials science in a UiO-SINTEF collaborative effort, with exchange and interaction with leading groups in France, Germany, Japan, and USA.