Experimenten bij het Paul Scherrer Instituut PSI laten zien hoe protonen reageren met een ijzeren elektrode onder realistische brandstofcelomstandigheden. Hun theoretische kennis van de onderliggende elektrochemische reacties levert belangrijke informatie op voor de verdere optimalisatie van brandstofcellen.

Brandstofcellen met een protonenuitwisselingsmembraan genereren elektrische energie door moleculaire waterstof af te breken in fijn verspreide platina nanodeeltjes op het oppervlak van een protonengeleidend membraan. Tegelijkertijd wordt zuurstof aan de kathode gereduceerd, wat resulteert in de vorming van water. Bij hoge stroomdichtheden wordt de zuurstofreductie vaak beperkt door het transport van protonen door het membraan. Het is niet haalbaar om dunnere membranen toe te passen, omdat deze daardoor gevoelig zijn voor degradatie.

Een veelbelovende alternatieve aanpak omvat de directe toevoer van protonen naar de kathode, waardoor de beperkingen van het massatransport door het membraan worden omzeild. Dit kan worden bereikt door een zuur milieu aan de kathode te creëren, de zogenaamde zure dotering, waardoor de prestaties van brandstofcellen worden verbeterd. Hier zijn de elektrode en het ionomeer – een polymeer dat zorgt voor de protonische geleidbaarheid – zuur, terwijl de elektrolyt alkalisch blijft.

Een belangrijke rol wordt gespeeld door oppervlakteoxiden

Onderzoekers van het Laboratorium voor Neutronenverstrooiing en Beeldvorming en het Laboratorium voor Elektrochemische Interfaces van PSI en het Helmholtz-Zentrum Hereon hebben nu de processen kunnen identificeren en karakteriseren die plaatsvinden op de kathode tijdens deze zogenaamde zure doping.

Voor de experimenten gebruikten de onderzoekers twee verschillende opstellingen:aan de ene kant konden ze dankzij modelexperimenten in een speciaal ontworpen elektrochemische cel röntgenfoto-elektronenspectroscopie-experimenten uitvoeren op de bundellijn van de Zwitserse lichtbron SLS bij PSI. Aan de andere kant gebruikten ze operando-elektrochemische impedantiemetingen in een brandstofceltestbank.

De combinatie van de experimentele resultaten met theoretische modellen ontwikkeld aan de Universiteit van Wenen (Oostenrijk) stelde de onderzoekers in staat de onderliggende mechanismen in detail te identificeren en te beschrijven.

Sleutelrol van oppervlakteoxiden

De wetenschappers konden de kathode visualiseren en chemisch analyseren onder realistische brandstofcelomstandigheden, dat wil zeggen tijdens de elektrochemische zuurstofreductiereactie. Voor het eerst konden ze laten zien hoe het kathodeoppervlak verandert in de zure omgeving. Concreet konden ze aantonen dat protonen uit de zure elektrolyt reageren met het ijzer van de kathode om ijzeroxiden te vormen:deze ijzeroxiden reageren vervolgens verder met ionomeermoleculen, waardoor de protonische geleidbaarheid van de kathode en daarmee de algehele prestaties van de brandstof worden verbeterd. cel.

“Doordat het ijzeroxide zich vormt op het oppervlak van de kathode, kunnen de ionomeermoleculen zich beter aan het oppervlak verankeren en staan ​​ze beter in contact met het ijzeroppervlak. Ze kunnen daardoor gemakkelijker protonen transporteren”, legt PSI-onderzoeker en eerste auteur van de studie, Thomas Justus Schmidt.

Het exacte begrip van deze complexe mechanismen kan belangrijke inzichten opleveren voor de verdere ontwikkeling en optimalisatie van brandstofcellen, in het bijzonder van zeer efficiënte lage-temperatuurbrandstofcellen voor de mobiliteitssector en stationaire toepassingen.