Gerillte Elektroden können die Leistung von Protonen verbessern

LOS ALAMOS, New Mexico – Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen sind eine vielversprechende Energielösung zur Reduzierung der Kohlenstoffemissionen im Verkehrssektor. Wie der Name schon sagt, enthalten diese Zellen eine protonenleitende Membran auf Basis von Polymermaterialien, die als Elektrolyt dient.

Während PEMFCs erhebliche Vorteile bieten könnten, müssen ihre Kosten, Haltbarkeit und die Verfügbarkeit des für ihren Betrieb erforderlichen Brennstoffs verbessert werden, bevor sie in großem Maßstab eingesetzt werden können.

Forscher des Los Alamos National Laboratory haben kürzlich neue Elektroden entwickelt, die die Leistung und Haltbarkeit von PEMFCs deutlich verbessern könnten. Diese in Nature Energy eingeführten Elektroden weisen eine charakteristische Rillenform auf, die den Transport von Sauerstoff und Protonen in den Brennstoffzellen erleichtern kann.

„Wir wussten, dass die Leistung herkömmlicher Elektroden durch den Transport von Spezies wie Sauerstoff und Protonen begrenzt war, und wir ließen uns von der historischen Arbeit unserer Kollegen am LANL in den 1990er Jahren inspirieren, die entdeckten, wie man einen kohlenstoffgestützten Platinkatalysator damit kombiniert „Protonenleitendes Ionomer zu verwenden, um erhebliche Leistungsverbesserungen zu erzielen“, sagte Jacob Spendelow, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Tech Xplore.

„Es ist ein wenig überraschend, dass moderne Elektroden 30 Jahre später immer noch im Wesentlichen die gleiche Struktur haben. Wir haben uns daher vorgenommen, die Struktur mithilfe eines rationalen Designansatzes neu zu gestalten, um sowohl den Sauerstoff- als auch den Protonentransport zu beschleunigen.“

Die von Spendelow und seinen Kollegen entworfenen gerillten Elektroden weisen zahlreiche mikroskalige Grate auf, die im Wesentlichen aus einem kohlenstoffgestützten Platinkatalysator bestehen, der durch leere Vertiefungen getrennt ist. Aufgrund ihrer einzigartigen Konfiguration können sie den Transport von Sauerstoff und Protonen auf verschiedene Teile ihrer Struktur aufteilen.

„Herkömmliche Elektroden erfordern einen gemischten Transport von Sauerstoff und Protonen durch alle Teile der Elektrode, was einige Designkompromisse erfordert, da das protonenleitende Ionomer den Sauerstofftransport behindert“, erklärte Spendelow. „Im Gegensatz dazu ermöglicht das gerillte Elektrodendesign durch die Trennung des Sauerstoff- und Protonentransports, dass Teile der Elektrode (die Rillen) für den Sauerstofftransport optimiert werden, während andere Teile (die Rippen) für den Protonentransport optimiert werden.“ Dieser „Teile und herrsche“-Ansatz ermöglicht einen schnelleren Transport und eine höhere Leistung.“

Die Forscher bewerteten ihre gerillten Elektroden in einer Reihe von Tests, die unter Standardbetriebsbedingungen für Brennstoffzellen durchgeführt wurden. Sie fanden heraus, dass ihre Leistung bis zu 50 % besser war als die herkömmlicher Elektroden und dass sie den Sauerstofftransport erleichtern und die Gleichmäßigkeit chemischer Reaktionen verbessern konnten. Darüber hinaus schienen die gerillten Elektroden langlebiger zu sein als ihre herkömmlichen Gegenstücke, da ihre Leistung nach einem Kohlenstoffkorrosionstest nicht so stark nachließ.

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