Brandstofcel blijft werken, zelfs als de brandstof op is

De nieuwe brandstofcel zet niet alleen waterstof om in elektriciteit, maar kan ook elektrochemische energie opslaan, zoals een batterij.  "Deze dunnefilm SOFC profiteert van recente ontwikkelingen en bevat een nieuw en veelzijdig materiaal", verklaart Harvard-professor  Shriram Ramanathan. "Vanadiumoxide (VO_x) op de anode gedraagt zich als een multifunctioneel materiaal waardoor de cel zowel energie kan genereren als opslaan".

"Hij zou zeer geschikt zijn voor onbemande voertuigen", zegt onderzoeker Quentin Van Overmeere. "Als het in het veld onmogelijk is om brandstof bij te vullen zou een extra stoot opgeslagen enrgie goed van pas komen."

Platina en vanadiumoxide

Ramanathan, Van Overmeere, en mede-ontwikkelaar Kian Kerman doen normaliter onderzoek aan SOFC’s met platina elektroden. Maar als in zo’n SOFC de brandstof op raakt, kan hij nog maar 15 seconde energie leveren voordat de elektrochemische reactie uitdooft. De nieuwe SOFC heeft een dubbele laag van platina en VO_x als anode, waardoor hij nu 3 minuten en 30 seconde kan doorgaan zonder brandstof – bij een stroomdichtheid van 0,2 mA/cm²). Dit eerste resultaat is volgens Ramanathan nog maar een ‘proof of concept’, zijn team verwacht dat verdere verbeteringen de levensduur zullen verlengen.

Drie reacties

Tijdens normaal bedrijf is de hoeveelheid energie die de nieuwe cel produceert vergelijkbaar met die van een SOFC met platina-elektrode. Tegelijkertijd zet de VO_x-laag diverse chemische reacties in gang die doorgaan als de brandstof – waterstof – op raakt. "Er zijn drie reacties die ten gevolge van het vanadiumoxide in de cel kunnen optreden", zegt Ramanathan. "De eerste is de oxidatie van vanadiumionen, de tweede de opslag van waterstof binnen het VO_x kristalrooster, die geleidelijk  weer wordt vrijgegeven en oxideert aan de anode. Het derde fenomeen dat we zouden kunnen zien is dat de concentratie van zuurstofionen van de anode tot de kathode verschilt, en er kunnen ook zuurstof-anionen oxideren." Al deze reacties zijn in staat om elektronen toe te voeren aan het circuit, maar het is momenteel nog niet precies duidelijk waardoor de brandstofcel blijft werken. Ramanathan’s team heeft tot nu tot experimenteel en kwantitatief vastgesteld dat zeker twee van de drie mogelijke mechanismen tegelijk aan de gang zijn.

Ramanathan en zijn collega’s verwachten dat een meer geavanceerde brandstofcel van dit type, die gedurende een langere periode zonder brandstof energie blijft leveren, binnen twee jaar voor beproevingen beschikbaar zal zijn.