Electrode degradation during a chemical/mechanical accelerated stress test of membranes in polymer electrolyte membrane fuel cells

Brandstofcellen worden vaak omschreven als de schone motoren van de toekomst, apparaten die waterstof en zuurstof in elektriciteit omzetten zonder iets te verbranden of rook uit te stoten. Binnen deze machines fungeert een dunne, flexibele laag die een membraan wordt genoemd als het hart van de operatie. Dit membraan laat kleine geladen deeltjes door terwijl het de brandstofgassen gescheiden houdt, een delicaat evenwicht dat in stand moet worden gehouden om het apparaat te laten werken. Echter, net als elk mechanisch onderdeel dat aan constante stress wordt blootgesteld, kan dit membraan slijten. In de echte wereld worden brandstofcellen geconfronteerd met wisselende luchtvochtigheid en temperatuur, wat ervoor zorgt dat het membraan herhaaldelijk uitzet en krimpt. Om te voorspellen hoe lang deze apparaten zullen meegaan, gebruiken wetenschappers versnelde tests die jaren van slijtage nabootsen in slechts enkele weken, waarbij het membraan wordt onderworpen aan snelle cycli van bevochtiging en uitdroging terwijl het op een specifieke spanning wordt gehouden.

Jarenlang geloofden onderzoekers dat deze specifieke tests alleen bedoeld waren om de duurzaamheid van het membraan zelf te meten. De aanname was dat als het membraan de stress overleefde, de rest van de brandstofcel in orde was. Een team van onderzoekers uit Zuid-Korea, onder leiding van Yejun Han en Kwonpil Park, besloot beter te kijken naar wat er gebeurt met de metaalkatalysatoren die aan weerszijden van dat membraan zitten tijdens deze tests. Ze wilden weten of de zware omstandigheden die bedoeld waren om het membraan te testen, ook de elektroden – de onderdelen die verantwoordelijk zijn voor het opwekken van de elektriciteit – stilletjes beschadigden. Hun onderzoek onthulde een complexer verhaal: de test belast niet alleen het membraan; het brengt een kettingreactie teweeg waarbij de elektroden en het membraan gelijktijdig degraderen, wat het falen van het hele systeem versnelt.

De onderzoekers bouwden een standaard brandstofcel met gebruik van een dun membraan en bedekten de elektroden met platina, een edelmetaal dat fungeert als katalysator om de chemische reacties te versnellen. Vervolgens onderwierpen ze deze cel aan zes duizend cycli van bevochtiging en uitdroging, een proces dat ontworpen is om extreme omgevingsstress te simuleren. Tijdens de eerste vijf duizend cycli gedroeg de cel zich op een voorspelbare manier. De spanning fluctueerde licht naarmate het membraan water absorbeerde en weer afgaf, maar deze veranderingen waren omkeerbaar, wat betekende dat de cel telkens weer herstelde. De hoeveelheid platina die beschikbaar was om zijn werk te doen, nam langzaam af, en het membraan bleef grotendeels intact. Het leek op dit stadium also dat de test naar verwachting verliep, waarbij het membraan goed standhield onder de mechanische belasting.

Echter, zod[e de test de grens van vijf duizend cycli passeerde, veranderde het gedrag van de brandstofcel drastisch. De spanningsfluctuaties werden permanent en ernstig, wat signaleerde dat er iets onomkeerbaars was gebeurd. De onderzoekers ontdekten dat de platinakatalysator, die langzaam aan het degraderen was, eindelijk een breekpunt had bereikt. De metaaldeeltjes, die beginnen als minuscule spikkels, begonnen samen te klonteren en groter te worden, waardoor ze effectief hun vermogen verloren om efficiënt elektriciteit op te wekken. Nog kritischer was dat een deel van dit platina oploste en migreerde in het membraan zelf. Terwijl deze metaaldeeltjes zich binnenin het membraan vestigden, creëerden ze minuscule, geleidende bruggen die ervoor zorgden dat elektronen over de barrière lekten waar ze niet zouden mogen gaan. Dit fenomeen, bekend als kortsluiting, is als een kleine, interne elektrische fout die de beoogde route van de motor omzeilt.

Het bewijs voor deze interne kortsluiting was opvallend. De onderzoekers gebruikten thermische camera's om naar de gedegradeerde brandstofcel te kijken en vonden specifieği hete plekken waar de temperatuur scherp was gestegen. Deze hete plekken kwamen exact overeen met de gebieden waar het membraan door de lekende elektronen was aangetast. De aanwezigheid van deze geleidende paden betekende dat het membraan niet langer slechts een passieve barrière was; het was een locatie van actieve elektrische uitval geworden. Het waterstofgas, dat gescheiden zou moeten blijven, begon in veel grotere hoeveelheden door het membraan te kruisen, wat de chemische afbraak verder versnelde. De test, die bedoeld was om te meten hoe lang het membraan kon meegaan, had onbedoeld de elektroden doen degraderen naast het membraan, en die gekoppelde degradatie had vervolgens het membraan veel sneller vernietigd dan het op zichzelf zou hebben gedaan.

De gegevens toonden aan dat tegen het einde van de zes duizend cycli het actieve oppervlak van de platinakatalysator met de helft was afgenomen, en de weerstand tegen elektrische kortsluiting tot een kritiek laag niveau was gedaald. De onderzoekers observeerden dat de snelheid waarmee de katalysator degradeerde vijfmaal zo hoog was geworden in de laatste duizend cyclen, een scherpe versnelling gedreven door de kortsluiting die het zelf mede had helpen creëren. Deze bevinding daagt de traditionele visie op hoe deze duurzaamheidstests werken uit. Het suggereert dat de OCV-Wet/Droog-cyclus geen test is van het membraan in isolatie, maar een test van de gehele assemblage die samenwerkt. De degradatie van de metaalkatalysator en de mechanische stress op het membraan zijn verbonden in een vicieuze cirkel waarin de ene fout de andere versnelt.

Deze studie concludeert dat het standaardprotocol dat wordt gebruikt om de duurzaamheid van brandstofcellen te evalueren, eigenlijk een gekoppelde test is die zowel de elektroden als het membraan gelijktijdig belast. De onderzoekers ontdekten dat het membraan niet alleen door de mechanische stress faalde, maar omdat de elektroden in tandem degradeerden, waardoor geleidende paden ontstonden die de vernietiging van het membraan versnelden. De platina-deeltjes, die eenmaal opgelost en hergedeponeerd binnen het membraan, fungeerden als katalysatoren voor de eigen afbraak van het membraan. Dit betekent dat wanneer ingenieurs brandstofcellen ontwerpen voor langdurig gebruik, zij zich niet simpelweg kunnen richten op het sterker maken van het membraan. Ze moeten ook ervoor zorgen dat de katalysatoren stabiel blijven onder deze specifieke stresscondities, want als de katalysator faalt, zal het membraan volgen. De weg naar een duurzamere brandstofcel ligt in het begrijpen van deze ingewikkelde relatie tussen de metaalkatalysatoren en het polymermembraan, in plaats van hen als afzonderlijke componenten te behandelen.