Einem Forschungsteam ist es gelungen, eine Katalysatorbeschichtungstechnologie zu entwickeln, die die Leistung von Festoxidbrennstoffzellen (SOFCs) in nur vier Minuten deutlich verbessert.
Dr. Yoonseok Choi vom Hydrogen Convergence Materials Laboratory am Korea Institute of Energy Research (KIER) leitete die Forschung in Zusammenarbeit mit Professor WooChul Jung von der Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik am KAIST und Professor Beom-Kyung Park von der Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik der Pusan National University.
Ihre Ergebnisse waren veröffentlicht In Fortgeschrittene Werkstoffe.
Brennstoffzellen gewinnen als hocheffiziente und saubere Energieträger, die die Wasserstoffwirtschaft vorantreiben, zunehmend an Bedeutung. Unter ihnen weisen Festoxidbrennstoffzellen (SOFCs) den höchsten Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung auf und können verschiedene Brennstoffe wie Wasserstoff, Biogas und Erdgas verwenden. Sie ermöglichen auch die kombinierte Erzeugung von Wärme und Strom, indem sie die während des Prozesses erzeugte Wärme nutzen, was sie zu einem Gegenstand aktiver Forschung und Entwicklung macht.
Die Leistung von Festoxidbrennstoffzellen (SOFCs) wird weitgehend durch die Kinetik der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) bestimmt, die an der Luftelektrode (Kathode) stattfindet. Die Reaktionsrate an der Luftelektrode ist langsamer als die an der Brennstoffelektrode (Anode), was die Gesamtreaktionsrate begrenzt.
Um diese träge Kinetik zu überwinden, entwickeln Forscher neue Luftelektrodenmaterialien mit hoher ORR-Aktivität. Diesen neuen Materialien mangelt es jedoch im Allgemeinen noch an chemischer Stabilität, sodass weitere Forschung erforderlich ist.
Stattdessen konzentrierte sich das Forschungsteam auf die Verbesserung der Leistung der LSM-YSZ-Verbundelektrode, eines Materials, das aufgrund seiner hervorragenden Stabilität in der Industrie weit verbreitet ist. Als Ergebnis entwickelten sie ein Beschichtungsverfahren zum Aufbringen von nanoskaligen Praseodymoxid-Katalysatoren (PrOx) auf die Oberfläche der Verbundelektrode, das die Sauerstoffreduktionsreaktion aktiv fördert. Durch die Anwendung dieses Beschichtungsverfahrens verbesserten sie die Leistung von Festoxidbrennstoffzellen deutlich.
Das Forschungsteam stellte ein elektrochemisches Abscheidungsverfahren vor, das bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck funktioniert und keine komplexen Geräte oder Prozesse erfordert. Durch Eintauchen der Verbundelektrode in eine Lösung mit Praseodymionen (Pr) und Anlegen eines elektrischen Stroms reagieren an der Elektrodenoberfläche erzeugte Hydroxidionen (OH-) mit Praseodymionen und bilden einen Niederschlag, der die Elektrode gleichmäßig beschichtet.
Diese Beschichtungsschicht durchläuft einen Trocknungsprozess und verwandelt sich in ein Oxid, das stabil bleibt und die Sauerstoffreduktionsreaktion der Elektrode in Hochtemperaturumgebungen effektiv fördert. Der gesamte Beschichtungsprozess dauert nur vier Minuten.
Darüber hinaus hat das Forschungsteam den Mechanismus aufgeklärt, durch den der beschichtete Nanokatalysator den Sauerstoffaustausch und die Ionenleitung an der Oberfläche fördert. Sie haben grundlegende Beweise dafür geliefert, dass die Katalysatorbeschichtungsmethode die niedrige Reaktionsrate der Verbundelektrode beheben kann.
Durch den Betrieb der entwickelten katalysatorbeschichteten Verbundelektrode und der herkömmlichen Verbundelektrode über 400 Stunden konnte das Team beobachten, dass der Polarisationswiderstand um das Zehnfache reduziert wurde. Darüber hinaus wies die SOFC mit dieser beschichteten Elektrode bei 650 Grad Celsius eine dreimal höhere Spitzenleistungsdichte auf (142 mW/cm2 → 418 mW/cm2) als die unbeschichtete Elektrode. Dies stellt die höchste Leistung dar, die in der Literatur für SOFCs mit LSM-YSZ-Verbundelektroden berichtet wurde.
Dr. Choi, Co-Autor, erklärte: „Die von uns entwickelte elektrochemische Abscheidungstechnik ist ein Nachbearbeitungsprozess, der den bestehenden Herstellungsprozess von SOFCs nicht wesentlich beeinflusst. Dies macht sie für die Einführung von Oxid-Nanokatalysatoren wirtschaftlich rentabel und verbessert ihre industrielle Anwendbarkeit.“
„Wir haben uns eine Kerntechnologie gesichert, die nicht nur auf SOFCs, sondern auch auf verschiedene Geräte zur Energieumwandlung angewendet werden kann, wie etwa die Hochtemperaturelektrolyse (SOEC) zur Wasserstoffproduktion.“
Mehr Informationen:
Seongwoo Nam et al., Revitalisierung der Sauerstoffreduktionsreaktivität von Verbundoxidelektroden durch elektrochemisch abgeschiedene PrOx-Nanokatalysatoren, Fortgeschrittene Werkstoffe (2024). DOI: 10.1002/adma.202307286