Flinterdunne oplossing maakt brandstofcellen goedkoper en milieuvriendelijker

In het waterstoflaboratorium van Sintef is een nieuwe membraantechnologie ontwikkeld – zo licht en dun dat een A4-tje aanvoelt als dik karton.

Brandstofcellen bestaan ​​uit een membraan en een katalysator. Beide zijn cruciaal voor het proces van het omzetten van waterstofgas in elektrische energie en voor de algehele prestaties van brandstofcellen. De membranen zijn gemaakt van fluorhoudende materialen die schadelijk zijn voor het milieu, terwijl de katalysator bestaat uit platina. Het membraan en de katalysator vertegenwoordigen tot 41 procent van de totale kosten van brandstofcellen. Daarom kozen de onderzoekers ervoor om te onderzoeken hoe deze twee componenten konden worden verminderd.

Optimale materiaalbalans

De katalysator bestaat uit ontelbare platinadeeltjes, die elk lijken op een microscopische reactor die waterstof omzet in elektriciteit. Hoe meer reactoren, hoe meer elektriciteit. De dure materialen verhogen echter ook de kosten.

“Het was daarom belangrijk om de optimale balans te vinden tussen de hoeveelheid gebruikte materialen en de hoeveelheid geproduceerde elektriciteit. In het onderzoeksproject vonden we een manier om de reactoren zo te plaatsen dat ze voldoende energie leverden om de brandstofcel te laten draaien, terwijl tegelijkertijd de benodigde hoeveelheid materialen drastisch werd verminderd”, aldus onderzoeker Patrick Fortin.

Hij zegt dat het onderzoek heeft geleid tot een verlaging van het platinagehalte met 62,5 procent ten opzichte van de modernste brandstofcellen. Platina is een van de duurste en zeldzaamste mineralen ter wereld en wordt alleen in delen van de wereld buiten Europa gewonnen. De EU heeft platina daarom aangemerkt als een kritieke grondstof.

Minder PFAS

De membranen die in dit type brandstofcel worden gebruikt, bevatten gefluoreerde polymeren die tot de PFAS-groep behoren. Door het toch al flinterdunne membraan met 33 procent te verdunnen, hebben de onderzoekers nu een veel milieuvriendelijker membraan ontwikkeld dat bovendien goedkoper is.

Van flinterdun naar nóg dunner…

“De membranen in de huidige brandstofcellen zijn 15 μm (micrometer) dik. Ons prototype meet slechts 10 μm. Ter vergelijking: een standaard A4-vel is 100 μm dik”, aldus Fortin.

Tijdens het onderzoek ontdekte Sintef dat ze de grens hadden bereikt van hoe dun een membraan kon zijn voordat het de prestaties beïnvloedde. De prestaties waren echter vrijwel identiek voor de 15 μm- als voor de 10 μm-membranen. Deze balans, zegt Fortin, heeft te maken met de eigenschappen van het membraan.

“De effectiviteit van de nieuwe membranen hangt af van hoe snel de protonen zich over het membraanoppervlak en in de katalysatorlaag kunnen bewegen, de zogenaamde ‘grensvlakweerstand’, en hoe snel ze zich door het membraan zelf kunnen bewegen, de zogenaamde ‘bulkweerstand’. Tijdens de tests merkten we dat de bulkweerstand verwaarloosbaar werd onder de 15 μm en dat de prestaties uitsluitend werden bepaald door de grensvlakweerstand, die voor beide membranen hetzelfde was.”

De onderzoekers concludeerden dat de overgang van flinterdun naar nog dunner de membraanprestaties niet in gevaar bracht, ondanks de verminderde hoeveelheid materiaal.

Het onderzoeksartikel werd gepubliceerd in het Journal of the Electrochemical Society.