8 apr. 2017
3 minuten
Een brandstofcel heeft om te functioneren een oxiderend middel nodig, zoals zuurstof. Aan de Technische Universität Wien kan men nu verklaren waarom dit maar slecht binnendringt en onbruikbaar wordt in de cellen.
Een brandstofcel wekt elektrische stroom uit een eenvoudige chemische reactie, bijvoorbeeld de vorming van water uit zuurstof en waterstof. Lastig is echter de vraag waaruit men keramische brandstofcellen het beste kan produceren. Er zijn nieuwe materialen nodig, die zo efficiënt mogelijk als katalysator voor de gewenste chemische reactie fungeren, maar het ook zo lang mogelijk uithouden zonder te veranderen.
Tot nu toe was men bij het ontwikkelen van zulke materialen vaak aangewezen op ‘trial and error’. Aan de TU in Wenen is het gelukt het oppervlak van brandstofcellen op atomair niveau doelgericht te veranderen en tegelijkertijd te meten. Op deze manier kunnen nu voor het eerst belangrijke fenomenen worden verklaard – zoals waarom strontiumatomen aan spelbederf doen, of dat kobalt nuttig kan zijn voor brandstofcellen.
Zuurstofbenodigdheden als flessenhals
In de kathode, de positieve pool van de brandstofcel, wordt zuurstof uit de lucht in het brandstofcelmateriaal ingebouwd. Elektrisch geladen zuurstofionen moeten dan door het materiaal heen diffunderen en aan de anode reageren met bijvoorbeeld waterstof.
De flessenhals van dit totale proces is het inbouwen van de zuurstof in de kathode. Opdat het inbouwen van de zuurstof snel genoeg verloopt, moet men de brandstofcellen bij hoge temperaturen laten werken, bij ongeveer 700 °C tot 1000 °C. Al langere tijd is men op zoek naar betere kathodematerialen, die een lagere werktemperatuur mogelijk maken. Er zijn wel enkele interessante kandidaten, zoals met strontium gedoteerd lanthaankobaltaat (LSC). Het grote probleem daarbij is, dat deze materialen op lange termijn niet stabiel blijven. Op een gegeven moment neemt de activiteit af en vermindert het vermogen van de brandstofcel. Over de exacte oorzaak daarvan bestaan tot nu toe slechts vermoedens.
Oppervlak doelgericht veranderd
Duidelijk was in ieder geval, dat het oppervlak aan de kathode waarop de zuurstof zich moet hechten en vervolgens in de brandstofcel moet diffunderen, een beslissende rol speelt. Daarom ontwikkelden de onderzoekers in Wenen een methode, die oppervlakken doelgericht verandert en tegelijkertijd meet hoe dat uitwerk op de elektrische eigenschappen van de brandstofcel.
Met een laserimpuls verdampen de wetenschappers verschillende materialen, die zich dan in minuscule hoeveelheid op het oppervlak hechten. Zo kunnen ze fijn gedoseerd de samenstelling van het kathodeoppervlak modificeren en tegelijkertijd waarneem hoe de weerstand in het systeem daarbij verandert.
Te veel strontium schaadt
Zo konden de wetenschappers aantonen dat materiaal dat rijk is aan strontium het oppervlak schaadt. Wanneer atomen van dit metaal domineren, wordt zuurstof maar zeer moeilijk ingebouwd. Het kathodeoppervlak neemt de zuurstof op zeer inhomogene wijze op. Op voorkeursplaatsen – zoals daar waar kobaltatomen zitten – functioneert het inbouwen van zuurstof goed; waar strontium domineert, lukt het nauwelijks zuurstof in het oppervlak te krijgen.
Dit verklaart ook waarom brandstofcellen in de tijd gezien steeds slechter worden. Het strontium uit het inwendige van het materiaal diffundeert naar het oppervlak en bedekt elk actief kobaltcentrum – de brandstofcel krijgt geen adem meer.
Deze resultaten geven belangrijke aanwijzingen hoe het inbouwen van zuurstof fundamenteel in materialen zoals LSC verloopt en welke processen verantwoordelijk zijn voor het vermogensverlies van brandstofcellen. De onderzoekers zijn daarmee een stap dichterbij gekomen voor technische toepassingen van LSC. De nieuwe onderzoeksmethode, die nauwkeurige coating combineert met meting aan elektrische eigenschappen,zal zeker ook in andere sectoren van het vastestofonderzoek nog een belangrijke rol spelen.
Anderen lazen ook
