Om een ​​brandstofcel te laten werken, het heeft een oxidatiemiddel nodig. TU Wien heeft nu een manier gevonden om te verklaren waarom zuurstof niet altijd goed in brandstofcellen komt, waardoor ze onbruikbaar worden.

Brandstofcellen gebruiken een eenvoudige chemische reactie, zoals de combinatie van zuurstof en waterstof om water te vormen, elektriciteit op te wekken. De vraag welk materiaal het beste is om te gebruiken bij het maken van keramische brandstofcellen is niet eenvoudig, echter. Er zijn nieuwe materialen nodig die als katalysator werken voor de vereiste chemische reactie met maximale efficiëntie, maar die ook zo lang mogelijk meegaan zonder dat hun eigenschappen veranderen.

Eerdere pogingen om materialen te ontwikkelen die aan deze vereisten voldoen, waren grotendeels gebaseerd op vallen en opstaan. Echter, teams van de TU Wien zijn er nu in geslaagd om op atomaire schaal gerichte veranderingen aan het oppervlak van brandstofcellen aan te brengen en tegelijkertijd metingen te doen. Als resultaat, het is nu mogelijk om belangrijke verschijnselen voor de eerste keer te verklaren, inclusief de redenen waarom strontiumatomen problematisch zijn en het feit dat kobalt nuttig kan zijn in een brandstofcel.

Het knelpunt in de zuurstofvoorziening

Bij de kathode, de positieve pool van de brandstofcel, zuurstof wordt vanuit de lucht in het brandstofcelmateriaal opgenomen. Elektrisch geladen zuurstofionen moeten dan door het materiaal reizen en reageren met de brandstof, bijvoorbeeld waterstof, aan de negatief geladen kant, de anode.

"Het knelpunt in dit hele proces is de opname van zuurstof aan de kathode, " legt Ghislain Rupp uit, van de onderzoeksgroep onder leiding van professor Jürgen Fleig aan het Institute of Chemical Technologies and Analytics van de TU Wien. Het team onder leiding van professor Andreas Limbeck en gevestigd aan hetzelfde instituut was ook betrokken bij dit onderzoeksproject.

Brandstofcellen moeten bij extreem hoge temperaturen worden gebruikt, ergens tussen de 700 en 1000 graden Celsius, om ervoor te zorgen dat de zuurstof snel genoeg wordt opgenomen. Onderzoekers proberen al lang betere kathodematerialen te identificeren waarmee de bedrijfstemperatuur kan worden verlaagd. "Er zijn enkele bekende opties die van bijzonder belang zijn, inclusief lanthaan strontium kobaltiet, of kortweg LSC, " legt Ghislain Rupp uit. Het grote probleem in dit geval is dat deze materialen niet op de lange termijn stabiel blijven. Er is altijd een punt waarop de activiteit daalt en de prestaties van de brandstofcel afnemen. Tot nu toe, naar de precieze reden hiervoor kon alleen maar worden geraden.

Gerichte oppervlakteveranderingen

Eén ding is altijd duidelijk geweest:het oppervlak van de kathode, waar de zuurstof moet bezinken voordat deze de brandstofcel binnengaat, speelt een cruciale rol. Met dit in gedachten, de teams van de TU Wien ontwikkelden een methode om gerichte aanpassingen aan het oppervlak aan te brengen en tegelijkertijd metingen te doen om de effecten hiervan op de elektrische eigenschappen van de brandstofcel te bepalen.

"We gebruiken een laserpuls om verschillende materialen te verdampen, die zich vervolgens in kleine volumes ophopen op het oppervlak, " legt Rupp uit. "Dit stelt ons in staat om de samenstelling van het kathodeoppervlak in kleine, precieze doses, terwijl ook wordt gecontroleerd hoe dit de weerstand van het systeem beïnvloedt."

Het schadelijke effect van overmatig strontium

Op deze manier, we hebben kunnen aantonen dat materialen met grote hoeveelheden strontium op het oppervlak een schadelijk effect hebben:"Als er te veel strontiumatomen op het oppervlak zijn, zuurstof wordt helemaal niet goed opgenomen, " zegt Rupp. "De zuurstof wordt zeer ongelijkmatig opgenomen door het kathodeoppervlak. Op sommige voorkeursplaatsen bijvoorbeeld waar kobaltatomen zich bevinden, zuurstof wordt effectief opgenomen. Echter, op de punten waar strontium domineert, er kan nauwelijks zuurstof in de kathode komen." Dit verklaart ook waarom de brandstofcellen na verloop van tijd verslechteren, aangezien het strontium in het materiaal naar het oppervlak migreert en eventuele actieve kobaltophopingen bedekt, uiteindelijk houden de lucht uit de buurt van de brandstofcel.

Deze bevindingen geven belangrijke informatie over hoe zuurstof fundamenteel wordt opgenomen in materialen zoals LSC en welke processen ervoor zorgen dat de prestaties van brandstofcellen verslechteren. "Dit onderzoek heeft ons een enorme stap dichter bij het technische gebruik van LSC als brandstofcelmateriaal gebracht, Rupp gelooft. "Bovendien, onze nieuwe onderzoeksmethode die ultranauwkeurige coating combineert met elektrische metingen zal zeker andere belangrijke toepassingen vinden op het gebied van solid-state ionics."