Development of an Accelerated Stress Test Protocol for Rapid Catalyst Degradation Evaluation in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Stacks

De zoektocht naar het voeden van de toekomst met schone energie heeft de aandacht gevestigd op een apparaat dat waterstof en lucht omzet in elektriciteit: de polymeer-elektrolytmembraanbrandstofcel. Deze cellen, die vaak worden gezien als het hart van emissievrije voertuigen, vertrouwen op een delicaat sandwich-materiaal, inclusief een dun membraan en een katalysatorlaag, meestal gemaakt van platina, om de chemische reactie te versnellen. Hoewel de technologie een toekomst zonder uitlaatgassen belooft, blijft er een grote hindernis: kosten en levensduur. De platina katalysator is duur, en om de technologie levensvatbaar te maken voor alledaagse auto's en vrachtwagens, moeten ingenieurs er minder van gebruiken terwijl ze ervoor zorgen dat het systeem tienduizenden uren meegaat. Het probleem is dat deze cellen werken onder voortdurend veranderende eisen, net zoals een auto die versnelt en remt, wat ervoor zorgt dat de minuscule platina-deeltjes in de loop der tijd degraderen. Om dit op te lossen, moeten wetenschappers precies weten hoe snel de katalysator slijt, maar het testen van een echte brandstofcelstap totdat deze faalt, zou jaren kunnen duren, wat snelle ontwikkeling bijna onmogelijk maakt.

Onderzoekers aan de Sunchon National University in Zuid-Korea zetten zich in om dit tijdsverlies op te lossen door een nieuwe manier te ontwikkelen om de duurzaamheid van brandstofcellen snel en nauwkeurig te testen. In plaats van een enkele cel in een laboratoriumopstelling te testen, die een echt voertuig met een brandstofcelstap niet perfect nabootst, bouwden ze een kleine stap van drie cellen en onderwierpen deze aan een reeks strenge stresstests. Het team ontwierp vier verschillende scenario's om te zien welke omstandigheden de katalysator het snelst zouden laten falen. Ze varieerden de temperatuur, het type gas dat aan de cel werd gevoed en het bereik van de elektrische spanning die de stap moest verwerken. Door de stap door duizenden cycli van deze omstandigheden te jagen, konden ze zien hoe de prestaties afnamen en de fysieke veranderingen analyseren die binnen de katalysatorlaag plaatsvonden.

De resultaten toonden een duidelijke hiërarchie van wat de katalysator het meest beschadigt. Wanneer de onderzoekers simpelweg de bedrijfstemperatuur met tien graden Celsius verhoogden, degradeerde de prestatie van de brandstofcel zesendertig procent sneller dan onder standaardomstandigheden. Dit suggereert dat hitte alleen de chemische processen die de katalysator afbreken, versnelt. Er trad echter een dramatischer versnelling op toen ze de gasvoorziening van gewone lucht naar pure zuurstof veranderden en de bovengrens van de spanning verhoogden. Deze combinatie zorgde ervoor dat de degradatiesnelheid met tachtigenvijf procent omhoog schoot. De meest zware test combineerde hoge hitte, pure zuurstof en een breder spanningsbereik, waardoor de stap binnen slechts vijftien duizend cycli tot zijn breekpunt werd gedreven. Dit was meer dan twee keer zo snel als de standaardtests, wat bewees dat de juiste mix van stressfactoren jaren aan slijtage kan comprimeren tot een kwestie van weken.

Om te begrijpen waarom deze omstandigheden zo destructief waren, keken de onderzoekers na de tests in de brandstofcellen. Ze ontdekten dat de platina-deeltjes, die beginnen als kleine clusters van ongeveer 2,7 nanometer groot, aanzienlijk groter waren geworden en ongelijkmatig verspreid waren. In de meest agressieve test groeiden de deeltjes tot een gemiddelde grootte van 5,6 nanimeter in slechts de helft van de tijd die de standaardtest nodig had om een vergelijkbaar niveau van schade te bereiken. De onderzoekers observeerden dat het platina oploste en vervolgens weer neersloeg op grotere deeltjes, een proces dat het totale oppervlak dat beschikbaar is voor het opwekken van elektriciteit verkleint. De studie suggereert dat de sleutel tot het versnellen van deze slijtage niet alleen hitte is, maar het creëren van een omgeving waarin het platina eerder geneigd is te oxideren en op te lossen. Dit gebeurt wanneer de spanning hoog is en de zuurstofconcentratie rijk is, wat ervoor zorgt dat het metaal afbreekt en zich opnieuw vormt tot grotere, minder effectieve klonten.

Dit werk biedt een praktisch stappenplan voor ingenieurs die nieuwe brandstofcelontwerpen moeten evalueren zonder decennia op resultaten te wachten. Door een methode van belastinggestuurde tests te gebruiken die de ups en downs van het echte rijden nabootst, in plaats van te vertrouwen op statische laboratoriumapparatuur, hebben de onderzoekers aangetoond dat het mogelijk is om de duurzaamheid op lange termijn snel te voorspellen. De bevindingen geven aan dat fabrikanten, om brandstofcellen te bouwen die langer meegaan, voorzichtig moeten zijn met hoe ze het spanning en de gas samenstelling beheren, aangezien deze factoren de chemische reacties aansturen die de katalysator vernietigen. Het nieuwe protocol biedt een betrouwbare manier om deze systemen op het niveau van de stap te testen, zodat de brandstofcellen die toekomstige voertuigen aandrijven zowel duurzaam genoeg voor de weg als betaalbaar genoeg voor de markt zijn.