Brandstofcellen kunnen ooit elektriciteit opwekken voor bijna elk apparaat dat op batterijen werkt, inclusief auto's, laptops en mobiele telefoons. Meestal met waterstof als brandstof en lucht als oxidatiemiddel, brandstofcellen zijn schoner dan verbrandingsmotoren omdat ze stroom produceren via elektrochemische reacties. Omdat water hun primaire product is, ze verminderen de vervuiling aanzienlijk.

Een probleem dat de levensduur van de brandstofcel beïnvloedt, is de oxidatie, of storing, van zijn centrale elektrolytmembraan. Het proces leidt tot de vorming van gaten in het membraan en kan uiteindelijk een chemische kortsluiting veroorzaken.

Een ingenieursteam van de Washington University in St. Louis heeft een nieuwe manier ontwikkeld om te kijken naar de snelheid waarmee oxidatie optreedt. Met behulp van fluorescentiespectroscopie in de brandstofcel, ze zijn in staat om de vorming van de chemicaliën die verantwoordelijk zijn voor de oxidatie te onderzoeken, namelijk vrije radicalen, tijdens bedrijf. De techniek kan een game changer zijn als het gaat om te begrijpen hoe de cellen afbreken, en het ontwerpen van mitigatiestrategieën die de levensduur van de brandstofcel zouden verlengen.

"Als je een apparaat koopt - een auto, een mobiele telefoon - u wilt dat deze zo lang mogelijk meegaat, " zei Vijay Ramani, de Roma B. en Raymond H. Wittcoff Distinguished Professor of Environment &Energy aan de School of Engineering &Applied Science. "Helaas, componenten in een brandstofcel kunnen degraderen, en het is geen gemakkelijke oplossing. Wat ons nieuwe onderzoek doet, is echt licht werpen op een van de manieren waarop deze apparaten kunnen falen, waardoor we methoden kunnen bedenken, zodat we de levensduur van apparaten die deze brandstofcellen gebruiken, kunnen verbeteren."

Het onderzoek, deze zomer gepubliceerd in het tijdschrift ChemSusChem , is de eerste die een in-situ benadering gebruikt om de binnenmembranen van de brandstofcel te onderzoeken. Een fluorescerende kleurstof wordt opgenomen en gebruikt als een marker om de snelheid vast te stellen waarmee schadelijke vrije radicalen worden gegenereerd tijdens bedrijf.

"Door fluorescentiespectroscopie te gebruiken in combinatie met een optische vezel, we kunnen de oxidatieve vrije radicalen kwantificeren die in de brandstofcel worden gegenereerd, die werken om de membranen af ​​te breken, " zei Yunzhu Zhang, een promovendus in het lab van Ramani, en studeer co-auteur.

Toen ze eenmaal in staat waren de interne werking van de brandstofcel te observeren, merkten de onderzoekers dat hoe zwakker het licht dat door het brandstofcelmembraan wordt uitgestraald, hoe groter de storing van binnenuit.

"We kunnen dit proces in realtime zien plaatsvinden, " zei Shrihari Sankarasubramanian, een postdoctoraal onderzoeker die meewerkte aan het project.

Tot nu, onderzoekers die de afbraak van brandstofcellen onderzochten, vertrouwden op de emissies van de cel om te bepalen welke chemische reacties mogelijk de oorzaak waren van membraanafbraak. Ze zeggen dat deze nieuwe aanpak hen in staat stelt zich te concentreren op de factoren die binnenin plaatsvinden voor een betere beoordeling.

"Omdat de vrije radicalen die de afbraak van het brandstofcelmembraan veroorzaken zo kortlevend zijn, en de anionenuitwisselingsmembranen zijn zo dun, onze nieuwe in situ-aanpak is de sleutel tot beter onderzoek, de chemische storingen die optreden tijdens het gebruik van brandstofcellen te begrijpen en te voorkomen, " zei Javier Parrondo, een postdoctoraal onderzoeker en co-auteur van onderzoek.

"De volgende stap is het introduceren van antioxidante chemicaliën in de brandstofcelmembranen, om te zien of ze de snelheid waarmee deze membranen afbreken kunnen verminderen, ' zei Ramani.