陽子交換膜燃料電池は、プロトン伝導膜の表面に細かく分散した白金ナノ粒子で分子水素を分解することにより、電力を生成します。同時に、カソードで酸素が減少し、水が形成されます。高電流密度では、酸素の減少は膜を通るプロトンの輸送によってしばしば制限されます。薄い膜を使用することは不可能です。これにより、分解の影響を受けやすくなります。
有望な代替アプローチには、カソードへの陽子の直接供給が含まれ、膜を通る質量輸送制限をバイパスします。これは、カソード、いわゆる酸ドーピングに酸性環境を提供することで実現でき、燃料電池の性能を改善します。ここでは、電極とイオノマー - プロトン導電率を保証するポリマー - は酸性であり、電解質はアルカリ性のままです。
重要な役割は、表面酸化物によって果たすことです
中性子散乱とイメージングのための研究室の研究者と、PSIとヘルムホルツ・ゼントラムの電気化学インターフェースの研究室は、このいわゆる酸ドーピング中にカソードで起こるプロセスを特定し、特徴付けることができました。
実験では、研究者は2つの異なるセットアップを使用しました。一方で、特別に設計された電気化学セルでのモデル実験により、PSIのスイス光源SLSのビームラインでX線光電子分光実験を行うことができました。一方、彼らは燃料電池試験ベンチでOperando Electrochemical Impedance測定を使用しました。
実験結果とウィーン大学（オーストリア）で開発された理論モデルの組み合わせにより、研究者は根本的なメカニズムを詳細に特定して説明することができました。
表面酸化物の重要な役割
科学者は、現実的な燃料電池条件下で、つまり電気化学酸素還元反応中にカソードを視覚化および化学的に分析することができました。初めて、彼らは酸性環境でカソード表面がどのように変更されるかを示すことができました。具体的には、酸性電解質の陽子がカソードの鉄と反応して酸化鉄を形成することを実証することができました。これらの酸化鉄はイオノマー分子とさらに反応し、カソードのプロトン伝導率、したがって燃料電池の全体的な性能を改善します。
「酸化鉄がカソードの表面に形成されると、イオノマー分子は表面への固定を改善することができ、鉄の表面との接触が良好です。したがって、プロトンをより簡単に輸送することができます」
これらの複雑なメカニズムを正確に理解することで、燃料電池のさらなる開発と最適化のための重要な洞察を提供できます。特に、モビリティセクターおよび定常用途向けの非常に効率的な低温燃料電池の燃料電池です。
