Brandstofcellen

Het onderzoek aan brandstofcellen aan de TU/e richt zich ondermeer op de ontwikkeling van nieuwe en efficiënte katalysatorsystemen voor de PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Er wordt gewerkt aan de toepassing van koolstofnanovezels op koolstofschuimstructuren (‘hairy foams’) die dienen als geavanceerde dragermaterialen voor de platinumkatalysator. Doel is om een volledige controle te krijgen over de reacties op de katalytische site. Gestreefd wordt de ideale elektrode-sandwich te ontwerpen en te fabriceren, zoals is geschetst in bovenstaande figuur. Ideaal wil zeggen dat de weerstanden voor transport van en naar de Pt-sites van gassen, electronen en protonen, geminimaliseerd zijn en volmaakt in balans. Hierbij worden alle Pt-sites goed benut en wordt een hoge volumetrische activiteit verkregen. Zo kan ook in de bestaande configuratie van een PEMFC het beschikbare oppervlak voor katalyse reeds aanzienlijk worden vergroot m.b.v. koolstofnanovezels. In de huidige PEMFC-configuratie is het lastig om enerzijds het proton-exchange membraan voldoende vochtig te houden en anderzijds het zuurstoftransport niet te limiteren door de vorming van een (dikke) film van water aan de anode en/of kathode. Met microporeuze elektrodes kan poriediffusie een limiterend effect hebben. De open structuur van de koolstofnanovezels heeft hier geen last van. De uiteindelijke efficiëntie van een PEMFC wordt mede bepaald door de hydrodynamische en stromings-eigenschappen die de contacttijd tussen de katalytische Pt-sites en de gas- en vloeistoffasen bepalen. De nieuwe PEMFC-geometrie wordt derhalve zo ontworpen dat dit contact zo optimaal mogelijk is. Katalyse, reactiekinetiek en reactorontwerp gaan hierbij hand in hand om een compact en efficiënt PEMFC-systeem te verkrijgen.

Een tweede aandachtsgebied is de levensduur van de PEMFC. Voor grootschalige toepassing van de PEMFC dient deze een lange levensduur te hebben en tevens robuust te zijn onder uiteenlopende condities. Aan de TU/e wordt onderzoek gedaan dat is gericht op het ophelderen van degradatiemechanismen. Het betreft hierbij zowel de elektroden als het elektrolytisch membraan. Van de elektroden wordt onderzocht hoe stabiel de edelmetalen en koolstofdragers zijn bij verschillende potentialen en temperaturen, en wat de invloed van de elektrode-samenstelling is op deze stabiliteit. Daarnaast wordt gewerkt aan ontwikkeling van methoden om de hydrofobiciteit van de gasdiffusielagen als functie van tijd en condities in kaart te kunnen brengen. Van het membraan gaat voornamelijk de aandacht uit naar de wateropname door het membraan.

Dit onderzoek gebeurt in nauwe samenwerking met ECN en Nedstack.