Nu de mondiale verschuiving naar hernieuwbare energie in een stroomversnelling komt, is er een belangrijke uitdaging ontstaan: hoe energie efficiënt kan worden opgeslagen in perioden waarin zonne- en windenergie niet beschikbaar zijn. Een doorbraak in de waterstofbrandstofceltechnologie, bereikt door gezamenlijk onderzoek, verlaagt de kosten aanzienlijk door het platinametaal in de katalysator te vervangen door zilver, wat een belangrijke stap markeert in de richting van betaalbare en efficiënte opslag van groene energie.
Waterstofbrandstofcellen, een toonaangevende concurrent, hebben zojuist een grote impuls gekregen dankzij fundamenteel onderzoek bij het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, Stanford University en het Toyota Research Institute (TRI). Een samenwerking tussen Stanford University en het Technion-Israel Institute of Technology heeft een brandstofcelapparaat ontwikkeld dat onlangs in de praktijk is vertaald.
"Waterstofbrandstofcellen hebben een groot potentieel voor energieopslag en -conversie, waarbij waterstof wordt gebruikt als alternatieve brandstof voor benzine en dergelijke, maar eetbare brandstofcellen zijn nog steeds behoorlijk duur", zegt Michaela Burke Stevens, universitair hoofddocent bij het SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, een joint venture tussen SLAC en Stanford University.
Het probleem, zegt Burke Stevens, is dat brandstofcellen vaak afhankelijk zijn van katalysatoren die dure metalen uit de platinagroep (PGM's) bevatten om de chemische reacties te bevorderen die ervoor zorgen dat het systeem goed werkt. Dit bracht Burke-Stevens en haar collega's ertoe op zoek te gaan naar manieren om katalysatoren goedkoper te maken, maar het aanbrengen van zulke fundamentele veranderingen in de chemie van een brandstofcel is een enorme uitdaging: wetenschappers ontdekken vaak dat katalysatoren die in hun kleine laboratoriumopstellingen werken, dat niet doen.
Deze keer hebben de onderzoekers de kosten in evenwicht gebracht door metalen uit de platinagroep gedeeltelijk te vervangen door een goedkoper alternatief, zilver. Maar de echte sleutel is het vereenvoudigen van de chemische formule voor het toevoegen van katalysatoren aan batterijelektroden.
Wetenschappers mengen katalysatoren doorgaans in een vloeistof en verspreiden ze vervolgens op gaaselektroden, maar deze katalysatorformuleringen werken niet altijd op dezelfde manier in verschillende laboratoriumomgevingen met verschillende hulpmiddelen, waardoor het moeilijk wordt om het werk te vertalen naar toepassingen in de echte wereld. “Natte chemische processen zijn niet bijzonder goed bestand tegen laboratoriumomstandigheden”, zegt Tom Jaramillo, directeur van SUNCAT, het bedrijf dat deze samenwerking mogelijk heeft gemaakt.
Om dit probleem op te lossen, gebruikte het SLAC-team een vacuümkamer om de nieuwe katalysator op een meer gecontroleerde manier op de elektroden af te zetten. "Dit hoogvacuümgereedschap is een benadering van 'wat je ziet is wat je krijgt'," zei Jaramillo. "Zolang je systeem goed gekalibreerd is, zou je het in principe gemakkelijk kunnen reproduceren."
Om ervoor te zorgen dat anderen hun methode konden repliceren en rechtstreeks op volledige brandstofcellen konden toepassen, werkte het team samen met experts van het Technion-Israel Institute of Technology, die aantoonden dat de methode werkt in echte brandstofcellen.
"Dit project was niet opgezet om hier brandstofceltesten uit te voeren, dus we hadden veel geluk." José Zamora Zeledόn, een Stanford-student aan het project, had contact met Dario Dekel en John Douglin, zijn doctoraalstudent aan het Technion-Israel Institute of Technology, en hun doel was om echte brandstofcellen te testen, dus het was een heel goede combinatie van middelen.
Samen ontdekten de twee teams dat ze, door een deel van de metalen uit de platinagroep die in eerdere katalysatoren werden gebruikt, te vervangen door goedkoper zilver, even efficiënte brandstofcellen konden realiseren tegen een veel lagere prijs – en nu hadden ze een bewezen aanpak voor de ontwikkeling van katalysatoren waarmee ze ambitieuzere ideeën konden gaan testen.
"We zouden kunnen proberen volledig metaalvrij te zijn uit de platinagroep", zegt Jaramillo, hoogleraar chemische technologie aan het Technion-Israel Institute of Technology en directeur van het Greater Technion's Energy Program, die net zo enthousiast is over het potentieel van de samenwerking. "Dit heeft grote voordelen voor het brandstofcelonderzoek en voor de praktische ontwikkeling van katalysatoren voor de brandstofcelindustrie", zei hij.
In de toekomst zal dit soort onderzoek bepalen of brandstofcellen hun potentieel kunnen bereiken. Brandstofcellen zijn heel spannend en interessant voor zwaar transport en de opslag van schone energie, maar uiteindelijk komt het neer op kostenreductie, en dat is waar deze samenwerking over gaat.
Samengestelde bron: ScitechDaily