Τα πειράματα και οι αναλύσεις δείχνουν πώς συγκεντρώνονται τα πρωτόνια ηλεκτρονίων σε επιφάνεια ηλεκτροδίου
Τα κύτταρα καυσίμου ανταλλαγής πρωτονίων παράγουν ηλεκτρική ισχύ, σπάζοντας το μοριακό υδρογόνο σε λεπτώς διασκορπισμένα νανοσωματίδια πλατίνας στην επιφάνεια μιας μεμβράνης που διεξάγεται από πρωτονίων. Ταυτόχρονα, το οξυγόνο μειώνεται στην κάθοδο, με αποτέλεσμα τον σχηματισμό νερού. Σε υψηλές πυκνότητες ρεύματος, η μείωση του οξυγόνου συχνά περιορίζεται από τη μεταφορά πρωτονίων μέσω της μεμβράνης. Δεν είναι εφικτό να χρησιμοποιηθούν λεπτότερες μεμβράνες, καθώς αυτό θα τους καθιστούσε ευαίσθητους στην υποβάθμιση.
Μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική προσέγγιση περιλαμβάνει την άμεση παροχή πρωτονίων στην κάθοδο, παρακάμπτοντας έτσι τους περιορισμούς μαζικών μεταφορών μέσω της μεμβράνης. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί παρέχοντας ένα όξινο περιβάλλον στην κάθοδο, το λεγόμενο όξινο ντόπινγκ, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση των κυττάρων καυσίμου. Εδώ, το ηλεκτρόδιο και το ιονομερές - ένα πολυμερές που εξασφαλίζει ότι η πρωτονική αγωγιμότητα - είναι όξινα, ενώ ο ηλεκτρολύτης παραμένει αλκαλικός.
Ένας σημαντικός ρόλος διαδραματίζεται από τα οξείδια της επιφάνειας
Οι ερευνητές του εργαστηρίου για τη σκέδαση και την απεικόνιση των νετρονίων και το εργαστήριο για ηλεκτροχημικές διεπαφές στο PSI και το Helmholtz-Zentrum ήταν τώρα σε θέση να εντοπίσουν και να χαρακτηρίσουν τις διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα στην κάθοδο κατά τη διάρκεια αυτού του λεγόμενου οξέος οξέος.
Για τα πειράματα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν δύο διαφορετικές ρυθμίσεις:αφενός, τα πειράματα μοντέλου σε ένα ειδικά σχεδιασμένο ηλεκτροχημικό κύτταρο τους επέτρεψαν να εκτελούν πειράματα φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ στη γραμμή δέσμης της ελβετικής φωτός SLS στο PSI. Από την άλλη πλευρά, χρησιμοποίησαν μετρήσεις ηλεκτροχημικής σύνθετης αντίστασης σε ένα πάγκο δοκιμής κυψελών καυσίμου.
Ο συνδυασμός των πειραματικών αποτελεσμάτων με θεωρητικά μοντέλα που αναπτύχθηκαν στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης (Αυστρία) επέτρεψε στους ερευνητές να εντοπίσουν και να περιγράψουν λεπτομερώς τους υποκείμενους μηχανισμούς.
Βασικός ρόλος των επιφανειακών οξειδίων
Οι επιστήμονες ήταν σε θέση να απεικονίσουν και να αναλύσουν χημικά την κάθοδο υπό ρεαλιστικές συνθήκες κυψελών καυσίμου, δηλαδή κατά τη διάρκεια της αντίδρασης μείωσης του ηλεκτροχημικού οξυγόνου. Για πρώτη φορά, ήταν σε θέση να δείξουν πώς η επιφάνεια της καθόδου τροποποιείται στο όξινο περιβάλλον. Συγκεκριμένα, ήταν σε θέση να αποδείξουν ότι τα πρωτόνια από τον όξινο ηλεκτρολύτη αντιδρούν με το σίδηρο της καθόδου για να σχηματίσουν οξείδια σιδήρου:αυτά τα οξείδια του σιδήρου αντιδρούν περαιτέρω με τα μόρια ιοντομερούς, βελτιώνοντας την πρωτονική αγωγιμότητα της κάθοδος και επομένως τη συνολική απόδοση του κυττάρου καυσίμου.
"Καθώς το οξείδιο του σιδήρου σχηματίζεται στην επιφάνεια της καθόδου, τα μόρια του Ιονομερούς μπορούν να αγκυροβολήσουν καλύτερα στην επιφάνεια και να βρίσκονται σε καλύτερη επαφή με την επιφάνεια του σιδήρου, είναι επομένως σε θέση να μεταφέρουν πρωτόνια πιο εύκολα", εξηγεί ο ερευνητής του PSI και ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, Thomas Justus Schmidt.
Η ακριβής κατανόηση αυτών των πολύπλοκων μηχανισμών μπορεί να παρέχει σημαντικές γνώσεις για την περαιτέρω ανάπτυξη και βελτιστοποίηση των κυττάρων καυσίμου, ιδίως των εξαιρετικά αποδοτικών κυττάρων καυσίμου χαμηλής θερμοκρασίας για τον τομέα της κινητικότητας και τις σταθερές εφαρμογές.
