양성자 교환 막 연료 전지는 양성자 전도성 막의 표면에 미세하게 분산 된 백금 나노 입자에서 분자 수소를 분해함으로써 전력을 생성한다. 동시에, 산소에서 산소가 감소하여 물의 형성을 초래합니다. 고전류 밀도에서, 산소 감소는 종종 막을 통한 양성자의 수송에 의해 제한된다. 얇은 막을 사용하는 것은 불가능합니다.
유망한 대안 접근법은 음극에 대한 양성자의 직접 공급을 포함하여 막을 통한 질량 수송 제한을 우회한다. 이는 소위 산 도핑 음극에 산성 환경을 제공함으로써 연료 전지의 성능을 향상시킴으로써 달성 될 수있다. 여기서, 전극 및 이오노머 - 프로토닉 전도도를 보장하는 중합체는 산성이며, 전해질은 알칼리성으로 남아있다.
중요한 역할은 표면 산화물에 의해 수행됩니다
중성자 산란 및 영상 실험실의 연구원과 PSI 및 Helmholtz-Zentrum의 전기 화학 인터페이스를위한 실험실의 연구원들은 이제이 소위 산 도핑 동안 음극에서 발생하는 과정을 식별하고 특성화 할 수있었습니다.
실험을 위해 연구자들은 두 가지 다른 설정을 사용했습니다. 한편으로, 특수 설계된 전기 화학적 세포에서 모델 실험을 통해 PSI에서 스위스 광원 SLS의 빔라인에서 X- 선 광전자 분광학 실험을 수행 할 수있었습니다. 반면에, 그들은 연료 전지 테스트 벤치에서 오페란도 전기 화학 임피던스 측정을 사용했습니다.
비엔나 대학교 (오스트리아)에서 개발 된 이론적 모델과 실험 결과의 조합을 통해 연구원들은 기본 메커니즘을 자세히 식별하고 설명 할 수있었습니다.
표면 산화물의 주요 역할
과학자들은 현실적인 연료 전지 조건, 즉 전기 화학적 산소 감소 반응에서 캐소드를 시각화하고 화학적으로 분석 할 수있었습니다. 처음으로, 그들은 산성 환경에서 음극 표면이 어떻게 변형되는지 보여줄 수있었습니다. 구체적으로, 이들은 산성 전해질로부터의 양성자가 음극의 철과 반응하여 산화철을 형성한다는 것을 입증 할 수 있었다.이 산화철은 이오노머 분자와 추가로 반응하여 음극의 프로토닉 전도도 및 연료 전지의 전반적인 성능을 개선시킨다.
PSI 연구원이자 첫 번째 연구의 저자 인 Thomas Justus Schmidt는“산화철이 캐소드 표면에 형성되면, 이오노머 분자는 표면에 더 잘 고정되어 철 표면과 더 잘 접촉 할 수있다. 따라서 그들은 양성자를보다 쉽게 수송 할 수있다.
이러한 복잡한 메커니즘에 대한 정확한 이해는 연료 전지의 추가 개발 및 최적화, 특히 이동성 부문 및 고정 응용 분야에 대한 고효율 저온 연료 전지에 대한 중요한 통찰력을 제공 할 수 있습니다.
