Een team van ingenieurs aan de Universiteit van Delaware heeft een technologie ontwikkeld die brandstofcellen goedkoper en duurzamer kan maken, een doorbraak die de commercialisering van brandstofcelvoertuigen zou kunnen versnellen.

Ze beschrijven hun resultaten in een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie op maandag, 4 sept.

Brandstofcellen op waterstof zijn een groen alternatief voor verbrandingsmotoren omdat ze stroom produceren door middel van elektrochemische reacties, laat geen vervuiling achter.

Materialen die katalysatoren worden genoemd, stimuleren deze elektrochemische reacties. Platina is de meest voorkomende katalysator in het type brandstofcellen dat in voertuigen wordt gebruikt.

Echter, platina is duur - zoals iedereen die sieraden koopt weet. Het metaal kost ongeveer $ 30, 000 per kilo.

In plaats daarvan, het UD-team maakte een katalysator van wolfraamcarbide, wat ongeveer $ 150 per kilogram kost. Ze produceerden op een nieuwe manier wolfraamcarbide nanodeeltjes, veel kleiner en schaalbaarder dan eerdere methoden.

"Het materiaal wordt meestal gemaakt bij zeer hoge temperaturen, ongeveer 1, 500 Celsius, en bij deze temperaturen het wordt groot en heeft weinig oppervlakte voor chemie, " zei Dionisios Vlachos, directeur van UD's Catalysis Center for Energy Innovation.. "Onze aanpak is een van de eerste om materiaal op nanoschaal met een groot oppervlak te maken dat commercieel relevant kan zijn voor katalyse."

De onderzoekers maakten wolfraamcarbide-nanodeeltjes met behulp van een reeks stappen, waaronder hydrothermische behandeling, scheiding, vermindering, carburisatie en meer.

"We kunnen de individuele wolfraamcarbide-nanodeeltjes tijdens het proces isoleren en een zeer uniforme verdeling van de deeltjesgrootte maken, " zei Weiqing Zheng, een onderzoeksmedewerker bij het Catalysis Center for Energy Innovation.

Volgende, de onderzoekers verwerkten de wolfraamcarbide nanodeeltjes in het membraan van een brandstofcel. Brandstofcellen voor auto's, bekend als protonenuitwisselingsmembraan brandstofcellen (PEMFC's), bevatten een polymeer membraan. Dit membraan scheidt de kathode van de anode, die waterstof (H2) splitst in ionen (protonen) en deze aflevert aan de kathode, die stroom geeft.

Het plastic-achtige membraan slijt na verloop van tijd, vooral als het te veel nat/droog cycli ondergaat, wat gemakkelijk kan gebeuren als water en warmte worden geproduceerd tijdens de elektrochemische reacties in brandstofcellen.

Wanneer wolfraamcarbide in het brandstofcelmembraan wordt opgenomen, het bevochtigt het membraan op een niveau dat de prestaties optimaliseert.

"De wolfraamcarbidekatalysator verbetert het waterbeheer van brandstofcellen en vermindert de belasting van het bevochtigingssysteem, " zei Liang Wang, een associate scientist bij de faculteit Werktuigbouwkunde.

Het team ontdekte ook dat wolfraamcarbide schadelijke vrije radicalen opvangt voordat ze het brandstofcelmembraan kunnen afbreken. Als resultaat, membranen met wolfraamcarbide nanodeeltjes gaan langer mee dan traditionele.

"De goedkope katalysator die we hebben ontwikkeld, kan in het membraan worden ingebouwd om de prestaties en vermogensdichtheid te verbeteren, " zei . "Als gevolg hiervan, de fysieke grootte van de brandstofcelstapel kan worden verminderd voor hetzelfde vermogen, waardoor het lichter en goedkoper wordt. Verder, onze katalysator kan hogere prestaties leveren zonder in te boeten aan duurzaamheid, dat is een grote verbetering ten opzichte van soortgelijke inspanningen van andere groepen."

Het UD-onderzoeksteam gebruikte innovatieve methoden om de duurzaamheid te testen van een brandstofcel gemaakt met wolfraamcarbide. Ze gebruikten een scanning-elektronenmicroscoop en een gefocusseerde ionenbundel om dunne-plakbeelden van het membraan te verkrijgen, die ze met software analyseerden, het opnieuw opbouwen van de driedimensionale structuur van de membranen om de levensduur van de brandstofcel te bepalen.

De groep heeft een patent aangevraagd en hoopt hun technologie te commercialiseren.

"Dit is een heel goed voorbeeld van hoe verschillende groepen over afdelingen heen kunnen samenwerken, ' zei Zheng.