Optimierung durch Verstehen
Brennstoffzellen sind elektrochemische Umwandlungsvorrichtungen, die eine Vielzahl verschiedener Brennstoffe verwenden könne und harmlose Nebenprodukte, wie Wärme und Wasser, produzieren. Wie Batterien können sie chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandeln, ohne Verbrennungsprozess und unerwünschte Emissionen, die zum globalen Klimawandel beitragen. So sind Brennstoffzellen eine der tragenden Säulen des alternativen Energieprogramms der EU. Die wichtigsten Komponenten für Brennstoffzellen sind zwei Elektroden (Anode und Kathode) und dazwischen ein Elektrolyten oder ionenleitendes Medium. Der wasserstoffreiche Brennstoff nimmt an einer chemischen Reaktion an der Anode teil, um Elektronen und Ionen zu erzeugen. Die Elektronen werden durch einen externen Stromkreis zur Kathode geleitet und die Ionen passieren den Elektrolyten, um sich an einer Reaktion mit Sauerstoff an der Kathode zu beteiligen. Der Elektrolyt bestimmt weitgehend den Brennstoffzellentyp. Festoxidbrennstoffzellen (Solid-oxide fuel cells, SOFC), wie der Name schon sagt, verwenden einen festen Elektrolyten. SOFC gehören zu den vielversprechendsten Brennstoffzellentechnologien, jedoch hängt die Optimierung wesentlich von der Erhöhung der Elektrolytleitfähigkeit der Wasserstoffionen oder Protonen (H +) und der Sauerstoffionen (O2-) ab. EU-finanzierte Wissenschaftler, die am Projekt NMRSOFC arbeiten, setzten Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) , der leistungsfähigsten Strukturbestimmungstechnik, ein, um die H + / O2- Dynamik in einer betriebenen Festoxidbrennstoffzelle zu studieren. Detaillierte NMR-Untersuchungen des Elektrolytmaterials Yttrium(Y)-dotiertes Barium-Zirkonat (BZY) zeigten, dass der Protonentransport aufgrund des Protonen-Trapping genannten Phänomens eingeschränkt ist. Ähnliche Studien von Cäsium-Hydrogenphosphat (CsH2PO4) wiesen auf die komplexen Mechanismen des Protonentransports und der Beziehungen zu Temperaturänderungen hin. Experimentelle NMR-Untersuchungen markierten zusammen mit mathematischer Modellierung Mechanismen, die Sauerstoff- und Wasserstoffmobilität in hydratisiertem Y-dotierten Barium-Stannat (BaSn1-xYxO3-x/2) beeinflussten. Die Wissenschaftler veröffentlichten auch ein wichtiges Papier über eine Methode zur Erhöhung der Auflösung der NMR-Spektroskopie. SOFC sind ein wichtiger Bestandteil der EU-Programme für die Entwicklung erneuerbare Energienalternativen zur Verbrennung von fossilen Brennstoffen. Sie sind sehr effizient, leise und emissionsfrei und können eine Vielzahl von wasserstoffreichen Brennstoffen verwenden. Die Wissenschaftler von NMRSOFC leisteten einen wesentlichen Beitrag zur Optimierung von SOFC durch die Charakterisierung des Ionentransports in aussichtsreichen festen Elektrolyten, die weit verbreitete Marktakzeptanz fördern sollten.
