Eksperimenter og analyser viser, hvordan elektroner, protoner samles på en elektrodeoverflade

Eksperimenter ved Paul Scherrer Institute PSI viser, hvordan protoner reagerer med en jernelektrode under realistiske brændselscelleforhold. Deres teoretiske forståelse af de underliggende elektrokemiske reaktioner giver vigtig information til yderligere optimering af brændselsceller.

Protonudvekslingsmembranbrændselsceller genererer elektrisk kraft ved at nedbryde molekylært brint ved fint spredte platinnanopartikler på overfladen af ​​en protonledende membran. Samtidig reduceres oxygen ved katoden, hvilket resulterer i dannelsen af ​​vand. Ved høje strømtætheder er iltreduktionen ofte begrænset af transporten af ​​protoner gennem membranen. Det er ikke muligt at bruge tyndere membraner, da dette ville gøre dem modtagelige for nedbrydning.

En lovende alternativ tilgang involverer direkte tilførsel af protoner til katoden, og dermed omgå massetransportbegrænsningerne gennem membranen. Dette kan opnås ved at give et surt miljø på katoden, såkaldt syredoping, og dermed forbedre brændselscellernes ydeevne. Her er elektroden og ionomeren – en polymer, der sikrer den protoniske ledningsevne – sure, mens elektrolytten forbliver alkalisk.

En vigtig rolle spilles af overfladeoxider

Forskere fra Laboratoriet for Neutronspredning og billeddannelse og Laboratoriet for Elektrokemiske Grænseflader ved PSI og Helmholtz-Zentrum Hereon har nu været i stand til at identificere og karakterisere de processer, der finder sted på katoden under denne såkaldte syredoping.

Til eksperimenterne brugte forskerne to forskellige opsætninger:På den ene side gav modelforsøg i en specialdesignet elektrokemisk celle dem mulighed for at udføre røntgenfotoelektronspektroskopi-eksperimenter ved strålelinjen af ​​Swiss Light Source SLS ved PSI. På den anden side brugte de operando elektrokemiske impedansmålinger i en brændselscelle testbænk.

Kombinationen af ​​de eksperimentelle resultater med teoretiske modeller udviklet ved Universitetet i Wien (Østrig) gjorde det muligt for forskerne at identificere og beskrive de underliggende mekanismer i detaljer.

Nøglerolle af overfladeoxider

Forskerne var i stand til at visualisere og kemisk analysere katoden under realistiske brændselscelleforhold, det vil sige under den elektrokemiske oxygenreduktionsreaktion. For første gang var de i stand til at vise, hvordan katodeoverfladen modificeres i det sure miljø. Specifikt var de i stand til at demonstrere, at protoner fra den sure elektrolyt reagerer med katodens jern for at danne jernoxider:Disse jernoxider reagerer derefter yderligere med ionomermolekyler, hvilket forbedrer katodens protoniske ledningsevne og dermed brændstoffets samlede ydeevne. celle.

"I takt med at jernoxidet dannes på katodens overflade, kan ionomermolekylerne bedre forankre til overfladen og er i bedre kontakt med jernoverfladen. De er derfor i stand til at transportere protoner lettere," forklarer PSI-forsker og førsteforfatter til undersøgelsen, Thomas Justus Schmidt.

Den nøjagtige forståelse af disse komplekse mekanismer kan give vigtig indsigt til videreudvikling og optimering af brændselsceller, især af højeffektive lavtemperaturbrændselsceller til mobilitetssektoren og stationære applikationer.