Brandstofcellen worden al lang gezien als een veelbelovende krachtbron. Deze apparaten, uitgevonden in de jaren 1830, elektriciteit rechtstreeks opwekken uit chemicaliën, zoals waterstof en zuurstof, en produceren alleen waterdamp als emissies. Maar de meeste brandstofcellen zijn te duur, inefficiënt, of allebei.

Bij een nieuwe aanpak geïnspireerd door biologie en vandaag gepubliceerd (3 oktober, 2018) in het tijdschrift Joule , een team van de Universiteit van Wisconsin-Madison heeft een brandstofcel ontworpen met goedkopere materialen en een organische verbinding die elektronen en protonen pendelt.

In een traditionele brandstofcel de elektronen en protonen van waterstof worden van de ene elektrode naar de andere getransporteerd, waar ze zich combineren met zuurstof om water te produceren. Dit proces zet chemische energie om in elektriciteit. Om een ​​betekenisvolle hoeveelheid lading te genereren in een voldoende korte tijd, een katalysator is nodig om de reacties te versnellen.

Direct, de beste katalysator op de markt is platina, maar daar hangt een hoog prijskaartje aan. Dit maakt brandstofcellen duur en is een van de redenen waarom er momenteel slechts een paar duizend voertuigen op waterstof rijden op de Amerikaanse wegen.

Shannon Stahl, de UW-Madison hoogleraar scheikunde die de studie leidde in samenwerking met Thatcher Root, een professor in de chemische en biologische technologie, zegt dat goedkopere metalen kunnen worden gebruikt als katalysatoren in de huidige brandstofcellen, maar alleen als het in grote hoeveelheden wordt gebruikt. "Het probleem is, wanneer u te veel van een katalysator op een elektrode bevestigt, het materiaal wordt minder effectief, " hij zegt, "leidend tot een verlies van energie-efficiëntie."

De oplossing van het team was om een ​​goedkoper metaal te verpakken, kobalt, in een reactor in de buurt, waar de grotere hoeveelheid materiaal de prestaties niet verstoort. Het team bedacht vervolgens een strategie om elektronen en protonen heen en weer te pendelen van deze reactor naar de brandstofcel.

Het juiste voertuig voor dit transport bleek een organische verbinding te zijn, een chinon genoemd, die twee elektronen en protonen tegelijk kan dragen. In het ontwerp van het team is een chinon pikt deze deeltjes op bij de brandstofcelelektrode, transporteert ze naar de nabijgelegen reactor gevuld met een goedkope kobaltkatalysator, en keert dan terug naar de brandstofcel om meer 'passagiers' op te pikken.

Veel chinonen worden al na enkele rondreizen afgebroken tot een teerachtige substantie. Stahls laboratorium, echter, ontwierp een ultrastabiel chinonderivaat. Door de structuur aan te passen, het team vertraagde drastisch de achteruitgang van het chinon. In feite, de verbindingen die ze hebben geassembleerd, gaan tot 5 mee, 000 uur - een meer dan 100-voudige toename van de levensduur in vergelijking met eerdere chinonstructuren.

"Hoewel het niet de definitieve oplossing is, ons concept introduceert een nieuwe benadering om de problemen op dit gebied aan te pakken, ", zegt Stahl. Hij merkt op dat de energie-output van zijn nieuwe ontwerp ongeveer 20 procent produceert van wat mogelijk is in waterstofbrandstofcellen die momenteel op de markt zijn. Aan de andere kant, het systeem is ongeveer 100 keer effectiever dan biobrandstofcellen die gerelateerde organische shuttles gebruiken.

De volgende stap voor Stahl en zijn team is het verhogen van de prestaties van de chinonbemiddelaars, waardoor ze elektronen effectiever kunnen pendelen en meer vermogen kunnen produceren. Door deze vooruitgang zou hun ontwerp kunnen overeenkomen met de prestaties van conventionele brandstofcellen, maar met een lager prijskaartje.

"Het uiteindelijke doel van dit project is om de industrie koolstofvrije opties te bieden voor het opwekken van elektriciteit, " zegt Colin Anson, een postdoctoraal onderzoeker in het Stahl-lab en co-auteur van publicaties. "Het doel is om erachter te komen wat de industrie nodig heeft en een brandstofcel te creëren die dat gat opvult."

Deze stap in de ontwikkeling van een goedkoper alternatief zou uiteindelijk een zegen kunnen zijn voor bedrijven als Amazon en Home Depot die al waterstofbrandstofcellen gebruiken om vorkheftrucks in hun magazijnen te besturen.

"Ondanks grote obstakels, de waterstofeconomie lijkt te groeien, " voegt Stahl toe, "stap voor stap."