Neue Brennstoffzellen mit doppelt so hoher Betriebsspannung wie Wasserstoff entwickelt
Kleineres, leichteres und effizienteres Brennstoffzellendesign möglich
Die Elektrifizierung des Verkehrssektors - einer der größten Energieverbraucher der Welt - ist für die künftige Energie- und Umweltverträglichkeit von entscheidender Bedeutung. Die Elektrifizierung dieses Sektors wird Hochleistungs-Brennstoffzellen (entweder allein oder in Verbindung mit Batterien) erfordern, um den Übergang zu Elektrofahrzeugen, von Autos und Lastwagen zu Booten und Flugzeugen, zu erleichtern.
Die Abbildung fasst die Leerlaufspannungen der repräsentativen DBFC-Leistung in grün und die Stromdichte bei 1,5 V in orange zusammen. DBFCs mit Spitzenleistungsdichte bei hoher Spannung (>1 V) werden durch blaue Säulen und solche mit Spitzenleistungsdichte bei niedriger Spannung (
Courtesy: Ramani Lab
Flüssigkeitsbrennstoffzellen sind eine attraktive Alternative zu herkömmlichen Wasserstoff-Brennstoffzellen, da sie den Transport und die Speicherung von Wasserstoff überflüssig machen. Sie können dazu beitragen, unbemannte Unterwasserfahrzeuge, Drohnen und schließlich Elektroflugzeuge anzutreiben - und das alles zu erheblich geringeren Kosten. Diese Brennstoffzellen könnten auch als Reichweitenverlängerer für aktuelle batteriebetriebene Elektrofahrzeuge dienen und so deren Einführung vorantreiben.
Jetzt haben Ingenieure an der McKelvey School of Engineering der Washington University in St. Louis Hochleistungs-Direkt-Borhydrid-Brennstoffzellen (DBFC) entwickelt, die mit der doppelten Spannung herkömmlicher Wasserstoff-Brennstoffzellen arbeiten.
Das Forschungsteam unter der Leitung von Vijay Ramani, dem Roma B. und Raymond H. Wittcoff Distinguished University Professor, hat Pionierarbeit für einen Reaktanten geleistet: die Identifizierung eines optimalen Bereichs von Durchflussraten, Strömungsfeldarchitekturen und Verweilzeiten, die einen Betrieb mit hoher Leistung ermöglichen. Dieser Ansatz befasst sich mit den wichtigsten Herausforderungen bei DBFCs, nämlich der richtigen Brennstoff- und Oxidationsmittelverteilung und der Eindämmung parasitärer Reaktionen.
Wichtig ist, dass das Team eine Einzelzellen-Betriebsspannung von 1,4 oder mehr nachgewiesen hat, doppelt so hoch wie bei herkömmlichen Wasserstoff-Brennstoffzellen, mit Spitzenleistungen von annähernd 1 Watt/cm2. Eine Verdoppelung der Spannung würde ein kleineres, leichteres und effizienteres Brennstoffzellendesign ermöglichen, was zu erheblichen gravimetrischen und volumetrischen Vorteilen führt, wenn mehrere Zellen zu einem Stapel für den kommerziellen Einsatz zusammengesetzt werden. Ihr Ansatz ist weitgehend auf andere Klassen von Flüssig/Flüssig-Brennstoffzellen anwendbar.
"Der Reaktanten-Transport-Engineering-Ansatz bietet eine elegante und einfache Möglichkeit, die Leistung dieser Brennstoffzellen deutlich zu steigern, während die vorhandenen Komponenten weiter verwendet werden", sagte Ramani. "Wenn wir unsere Richtlinien befolgen, können sogar aktuelle, kommerziell eingesetzte Flüssigbrennstoffzellen Leistungssteigerungen erzielen".
Der Schlüssel zur Verbesserung jeder bestehenden Brennstoffzellentechnologie ist die Reduzierung oder Eliminierung von Nebenreaktionen. Die meisten Bemühungen, dieses Ziel zu erreichen, bestehen in der Entwicklung neuer Katalysatoren, bei deren Einführung und Einsatz im Feld erhebliche Hürden zu überwinden sind.
"Brennstoffzellen-Hersteller sind in der Regel zurückhaltend, wenn es darum geht, erhebliches Kapital oder Anstrengungen zu investieren, um ein neues Material einzuführen", sagte Shrihari Sankarasubramanian, ein leitender Wissenschaftler in Ramanis Team. "Aber die gleiche oder bessere Verbesserung mit ihrer bestehenden Hardware und ihren Komponenten zu erreichen, ist eine Neuerung.
"Wasserstoffblasen, die sich auf der Oberfläche des Katalysators bilden, sind seit langem ein Problem für direkte Natriumborhydrid-Brennstoffzellen, das durch die rationelle Gestaltung des Strömungsfeldes minimiert werden kann", sagte Zhongyang Wang, ein ehemaliges Mitglied von Ramanis Labor, der 2019 an der WashU promoviert hat und jetzt an der Pritzker School of Molecular Engineering an der Universität von Chicago tätig ist. "Mit der Entwicklung dieses Reaktanten-Transport-Ansatzes sind wir auf dem Weg zum Scale-up und zum Einsatz.
Ramani fügte hinzu: "Diese vielversprechende Technologie wurde mit der kontinuierlichen Unterstützung des Amtes für Marineforschung entwickelt, die ich dankbar anerkenne. Wir sind dabei, unsere Zellen zu Stapeln für Anwendungen sowohl in Tauchbooten als auch in Drohnen aufzustocken".
Die Technologie und ihre Grundlagen sind Gegenstand einer Patentanmeldung und stehen zur Lizenzierung zur Verfügung.
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