Bränsleceller från protonbytesmembran genererar elektrisk kraft genom att bryta ner molekylärt väte vid fint spridda platinananopartiklar på ytan av ett protonledande membran. Samtidigt reduceras syre vid katoden, vilket resulterar i att vatten bildas. Vid höga strömtätheter begränsas syrereduktionen ofta av transporten av protoner genom membranet. Det är inte möjligt att använda tunnare membran, eftersom detta skulle göra dem mottagliga för nedbrytning.
Ett lovande alternativt tillvägagångssätt innebär direkt tillförsel av protoner till katoden, och därmed kringgå masstransportbegränsningarna genom membranet. Detta kan uppnås genom att tillhandahålla en sur miljö på katoden, så kallad sur dopning, och på så sätt förbättra bränslecellernas prestanda. Här är elektroden och jonomeren – en polymer som säkerställer den protoniska konduktiviteten – sura, medan elektrolyten förblir alkalisk.
En viktig roll spelas av ytoxider
Forskare vid Laboratory for Neutron Scattering and Imaging och Laboratory for Electrochemical Interfaces vid PSI och Helmholtz-Zentrum Hereon har nu kunnat identifiera och karakterisera de processer som äger rum på katoden under denna så kallade syradopning.
För experimenten använde forskarna två olika uppställningar:Å ena sidan gjorde modellexperiment i en specialdesignad elektrokemisk cell det möjligt för dem att utföra röntgenfotoelektronspektroskopiexperiment vid strållinjen av Swiss Light Source SLS vid PSI. Å andra sidan använde de operando elektrokemiska impedansmätningar i en bränslecellstestbänk.
Kombinationen av de experimentella resultaten med teoretiska modeller utvecklade vid universitetet i Wien (Österrike) gjorde det möjligt för forskarna att identifiera och beskriva de underliggande mekanismerna i detalj.
Ytoxidernas nyckelroll
Forskarna kunde visualisera och kemiskt analysera katoden under realistiska bränslecellsförhållanden, det vill säga under den elektrokemiska syrereduktionsreaktionen. För första gången kunde de visa hur katodytan modifieras i den sura miljön. Specifikt kunde de visa att protoner från den sura elektrolyten reagerar med katodens järn för att bilda järnoxider:Dessa järnoxider reagerar sedan vidare med jonomermolekyler, vilket förbättrar katodens protoniska konduktivitet och därmed bränslets totala prestanda. cell.
"Eftersom järnoxiden bildas på katodens yta kan jonomermolekylerna bättre förankras till ytan och är i bättre kontakt med järnytan. De kan därför transportera protoner lättare", förklarar PSI-forskaren och första författare till studien, Thomas Justus Schmidt.
Den exakta förståelsen av dessa komplexa mekanismer kan ge viktiga insikter för vidareutveckling och optimering av bränsleceller, i synnerhet av högeffektiva lågtemperaturbränsleceller för mobilitetssektorn och stationära applikationer.
