Brennstoffzellen versprechen eine saubere, erneuerbare Energiequelle. Doch es war lange Zeit eine Herausforderung, sie trocken zu halten, da sie bei der Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff in Elektrizität Wasser produzieren.
Jetzt sagen Forscher der University of British Columbia, dass sie möglicherweise eine Lösung gefunden haben: die Vorbehandlung der Elektrode – einer Schlüsselkomponente von Brennstoffzellen – mit ionisiertem Sauerstoffgas oder Plasma.
„Brennstoffzellen benötigen zum Betrieb eine geringe Menge Feuchtigkeit, aber zu viel Wasser blockiert den Gasfluss durch die Zelle“, sagte der Erstautor der Studie, Benjamin Zahiri, ein Materialwissenschaftler. „Durch die Plasmabehandlung wird die Oberfläche der Elektrode so verändert, dass überschüssiges Wasser in die unteren Schichten sinken und abfließen kann, ohne dass die Zelle austrocknet.“
Forscher setzten die Oberfläche einer Brennstoffzellenelektrode, die poröse Kohlenstoffschichten enthält, eine Minute lang ionisiertem Sauerstoffgas aus. Durch die Behandlung wurden unterschiedliche Mengen an sauerstofftragenden Molekülen, die Wasser anziehen, auf der Oberfläche abgelagert.
„Die oberen Schichten erhielten die meisten Moleküle und die nächsten Schichten erhielten immer weniger Moleküle“, sagte Zahiri. „Durch die Schaffung dieser allmählich abnehmenden ‚Benetzbarkeit‘ wird das Wasser von den oberen Schichten in die unteren Schichten gezogen, von wo aus es die Zelle verlässt.
„Die Struktur der Kohlenstoffschicht selbst bleibt unverändert.“
Die Studie konzentrierte sich auf Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM), eine Art von Brennstoffzellen, die häufig für Pkw und Lkw verwendet wird.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Plasmabehandlung den Wassertransport in einer PEM-Brennstoffzelle wirksam erleichtert“, sagte Zahiri. „Andere Wassertransportstrategien wie hydrophobe oder wasserabweisende Beschichtungen sind zu kostspielig oder zu komplex, um realisierbar zu sein.“
Den Forschern zufolge lässt sich die Plasmabehandlung auch problemlos in die Herstellung von Brennstoffzellenkomponenten integrieren.
„Es ist schnell, kostengünstig und wird bereits häufig in der Fertigung eingesetzt“, sagte der leitende Autor der Studie, Walter Mérida, Professor für Maschinenbau und Leiter des Clean Energy Research Center an der UBC. „Es entsteht kein chemischer Abfall, es ist also umweltfreundlich.“
Das Team erforscht derzeit weitere Anwendungen der Plasmabehandlung. Laut Mérida können Plasmabehandlungen auch bei anderen porösen Materialien zur Energiespeicherung eingesetzt werden. Sie können auch in Natronlauge-basierte Industrien integriert werden, ein Markt mit einem Wert von 80 Milliarden US-Dollar.