Brennstoffzellen mit doppelter Betriebsspannung

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Hochleistungs-Direkt-Borhydrid-Brennstoffzelle entwickelt

Die Elektrifizierung des Verkehrssektors – einer der größten Energieverbraucher der Welt – 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. Ingenieure der McKelvey School of Engineering an der Washington University in St. Louis (Missouri) haben jetzt Hochleistungs-Direkt-Borhydrid-Brennstoffzellen (DBFC) entwickelt, die mit der doppelten Spannung herkömmlicher Wasserstoff-Brennstoffzellen arbeiten. Ihre Forschungsergebnisse wurden am 17.06.2020 in Cell Reports Physical Science veröffentlicht.

Flüssig betriebene Brennstoffzellen 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 deutlich geringeren Kosten. Diese Brennstoffzellen könnten auch als Reichweitenverlängerer für aktuelle batteriebetriebene Elektrofahrzeuge dienen und so deren Einführung vorantreiben.

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 (<1 V) werden durch schwarze Säulen dargestellt. Die Arbeit des vorliegenden Artikels wird durch die gelbe Spalte hervorgehoben. (Mit freundlicher Genehmigung: Ramani Lab)

Das Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Vijay Ramani hat Pionierarbeit für einen Reaktanten geleistet: Es hat einen optimalen Bereich von Flussraten, Flussfeldarchitekturen und Verweilzeiten ermittelt, der einen Betrieb mit hoher Leistung ermöglicht. 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. Die 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 erheblich zu steigern und dabei weiterhin bestehende Komponenten zu verwenden“, 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. Der Großteil der Bemühungen, dieses Ziel zu erreichen, besteht in der Entwicklung neuer Katalysatoren, die erhebliche Hürden in Bezug auf die Einführung und den Einsatz im Feld überwinden müssen. „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, 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, und es kann durch die rationelle Gestaltung des Strömungsfeldes minimiert werden“, sagte Zhongyang Wang, 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 Office of Naval Research entwickelt, die ich dankbar anerkenne. Wir befinden uns in der Phase der Skalierung unserer Zellen zu Stapeln für Anwendungen sowohl in Unterwasserfahrzeugen als auch in Drohnen. Die Technologie und ihre Grundlagen sind Gegenstand einer Patentanmeldung und stehen zur Lizenzierung zur Verfügung.

Die McKelvey School of Engineering an der Washington University in St. Louis fördert unabhängige Forschung und Ausbildung mit Schwerpunkt auf wissenschaftlicher Exzellenz, Innovation und grenzenloser Zusammenarbeit. McKelvey Engineering verfügt über hochrangige Forschungs- und Graduiertenprogramme über alle Fachbereiche hinweg, insbesondere in den Bereichen Biomedizintechnik, Umwelttechnik und Informatik, und hat eines der selektivsten Undergraduiertenprogramme des Landes. Mit 140 Vollzeitlehrkräften, 1.387 Studenten, 1.448 Doktoranden und 21.000 lebenden Alumni arbeiten wir an der Lösung einiger der größten Herausforderungen der Gesellschaft; wir bereiten unsere Studenten darauf vor, während ihrer gesamten Laufbahn führend zu werden und innovativ zu sein; und wir wollen ein Katalysator der wirtschaftlichen Entwicklung für die Region St. Louis und darüber hinaus sein.

Highlights aus Cell Reports Physical Science

  • Allgemeine Durchfluss- und Verweilzeitkriterien für flüssige Hochleistungs-Brennstoffzellen
  • Direkte Borhydrid-Brennstoffzellen mit 890 mW cm-2 Spitzenleistungsdichte bei 1,1 V
  • pH-Gradienten-aktivierte mikroskalige bipolare Schnittstelle ermöglicht 2,02 V Leerlaufspannung
  • Unsere DBFCs liefern die 2,4-fache Leistung bei doppelter Betriebsspannung im Vergleich zu H2/O2-Brennstoffzellen

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