NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale

Brenselceller er energikonvertering enheter i stand til å gi høy effekttetthet med null utslipp av CO2 og andre forurensende stoffer. I løpet av det siste tiåret, har teknologien blitt moden og brenselceller er å finne sin vei til markedet i et bredt spekter av applikasjoner. Brenselcelle-teknologi er imidlertid fremdeles viser en høy kapitalkostnad, særlig for membranen, katalysator og edelmetallbelegg for protonbyttemembran (PEMFC) teknologi. NEXTGAME Prosjektet er et internasjonalt prosjekt (M-era Net), med partnere fra Norge, Taiwan og Israel, som ser på å ta i bruk anionbyttermembran (AEMFC) i brenselceller. I likhet med PEMFC er AEMFC i stand til å generere høy effekt utganger. Forskjellen er at den AEMFC er bygget rundt en alkalisk, heller enn sure, elektrolytt-membran. Høyere pH-miljø gir mange fordeler i forhold til syre PEMFC, særlig: i) den potensielle bruken av ikke-PGM katalysatorer for oksygen reduksjon reaksjon (ORR), ii) potensiell bruk av lavere kostnader materialer for stack komponenter og iii) en bredere utvalg av drivstoff, inkludert H2, ammoniakk, urea og andre nitrogenbaserte brensler. NEXTGAME Prosjektet tar sikte på å utvikle nye ikke-edelt metall katalysatorer for både anoden og katoden katalysator lag (NTNU og SINTEF), nye typer alkaliske ionomers (Technion) og nye typer gass diffusjon lag (NCHU). Prosjektet start med en kick-off möte i Trondheim 2016. I 2017, Technion oppnådde en betydelig grad av fremgang, blant annet, har Technion etablert en ny metode for testing av anionbyttermaterialer ved forskjellig relativ fuktighet og har publisert resultatene. Dette er en viktig målingsmetodikk som simulerer brenselcellemiljø og kan fungere som en ex-situ akselerert stress test for membranmateriale. Norske partnere SINTEF og NTNU har også etablert metoder for testing av katalysatorer i alkaliske medier. NEXTGAMEs taiwanske partner, NCHU, arbeidet med nye typer gassdiffusjonsmaterialer spesielt egnt for AEM brenselceller. Det andre face-to-face møte ble avholdt i Taiwan den 18.-21. September 2017. I 2018 oppnådde NEXTGAME-prosjektet både suksesser, samt møtt noen nye utfordringer. SINTEF har utviklet en koboltbasert katalysator for oksygenreduksjonsreaksjonen (ORR) som viser veldig god katalytisk aktivitet. Denne katalysator kommer at testas i brenselselle men vi har indikasjoner på at den er ikke lika god som Platinum. Hovedutfordringen har vært å utvikle en effektiv katalysator for hydrogenoksidasjonsreaksjonen (HOR). En katalysator som er fri fra Platinum og andre edelmetaller. NTNU, med hjelp av TECHNION, har lagt stor vekt på å utvikle nye Ni-baserte legeringer med viss suksess. Disse nye nanostrukturerte Ni-legeringene har vist god ytelse mot HOR, men Palladium (Pd) -baserte katalysatorer (edelmetall), e. g. Pd støttet på Ceria viser mye bedre ytelse. Planen for slutten av 2018 og begynnelsen av 2019 er å vise bevis for konseptet for disse nye materialene i ekte anionbyttermembranbrenselceller (AEMFC). I 2019 jobbet NEXTGAME-prosjektet med å integrere de utviklede katalysatorene i en ekte AEM-brenselcelle. Katalysatorer fra NTNU, SINTEF og TECHNION ble sendt til NCHU (Taiwan) for testing og validering i brenselcelle. Den hydrotermisk syntetiserte Co3O4-katalysatoren fra SINTEF, i kombinasjon med Pt/C som anode HOR-katalysator, viste god AEMFC-ytelse (effektdensitet på 388 mW cm-2), mens den samme katalysator kombinert med SINTEF's flammespyrolyse Pd/CeO2-anode katalysatorer når topp effekt tetthet på 309 mW cm-2. Dessverre, når vi endrer anoden til NTNUs nanostrukturerte NiCo/C-katalysator, blir ytelsen betydelig redusert. NEXTGAME-prosjektet er i stand til å konkludere med at det faktisk er mulig å utvikle AEMFC-er med høy ytelse helt fri for Pt, men at det ligger store utfordringer med å oppnå høge AEMFC effektdensitet når man går til katalysatorer helt fri fra edelmetaller. De viktigste resultater fra NEXTGAME er nå publisert i Van Men Truong, Julian Richard Tolchard, Jørgen Svendby, Maidhily Manikandan, Hamish A. Miller, Svein Sunde, Hsiharng Yang, Dario R. Dekel and Alejandro Oyarce Barnett, Platinum and Platinum Group Metal-Free Catalysts for Anion Exchange Membrane Fuel Cells, Energies 2020, 13, 582; doi:10.3390/en13030582 NEXTGAME prosjektet har oppnådd: *Etablert veldig goda relasjoner mellom SINTEF, NTNU, TECHNION og NCHU. Partneren har utvekslet en stor del kunnskap om syntese, prosedyrer, materialer og test resultater. De har også utvekslet forskningspersonell og arrangert flere prosjektmøter. *Samarbeidet har også resultert i utveklingen av nye metoder for framstilling og syntese av katalysatorer fri fra Platinum som kan bli brukt is AEMFC applikasjon. *Disse materialer har viset sig at ha lovende egenskaper for utnyttelse i andre elektrokjemiske applikasjoner som til eksempel AEM vann elektrolyse, revers elektrodialyse og CO2 elektrokjemisk konvertering.

NEXGAME has develop a new generation gas diffusion electrodes (GDEs) for Anion Exchange Membrane Fuel Cells (AEMFCs) and demonstrate improved efficiency while using sustainable and affordable materials. Including the development of active Non-Pt and non-PGM anode catalysts for the hydrogen oxidation reaction (HOR), development of Non-PGM Metal oxide-based cathode catalyst for the oxygen reduction reaction (ORR). Fabrication of gas diffusion layers (GDLs), specifically design to be used as substrates for AEMFCs gas diffusion electrodes (GDEs). However, NEXTGAME did not fully overcome the challenges involving the integration of these materials into fully functional GDEs with durable AEMFC operation. The project also aimed at pushing up the AEMFCs technology readiness level (TRL). However, the current status is still TRL2-3. Some of the materials and solutions developed within NEXTGAME have found direct applicability in AEM water electrolysers.

In common with the PEMFC, the AEMFC is an all-solid electrochemical device able to generate high power outputs. The difference being that AEMFCs are built around an alkaline, rather than acidic electrolyte membrane. The higher pH environment gives some advantages over the acid PEMFC, in particular: i) the potential use of Non-PGM catalysts for the oxygen reduction reaction (ORR), ii) the potential use of lower cost materials for stack components and iii) a wider choice of fuels, including H2, ammonia, urea, and other nitrogen based fuels. The slow progress of this technology to date has been due the poor stability of anion exchange membranes. Significant advances have recently been made regarding membrane stability, and consequently it is now recognized that the other AEMFC components, e. g. the electrodes also need to be improved. In order for the AEMFCs to become a commercially available energy converting devices, the following challenges are addressed within NEXTGAME: i) the anion conductive phase within the electrodes, also called ionomer, still suffers degradation, specially affecting the cathode side of the AEMFC and ii) the efficiency of the hydrogen oxidation reaction (HOR) at the anode falls well behind PEMFCs due to the slow kinetics of oxidation reaction in alkaline medium. NEXTGAME is very ambitious and its expected output is considerable advances in the materials and electrochemical performance of AEMFC electrodes, which will in turn push AEMFCs to reach higher TRLs (TRL=4-5). A high impact is anticipated and is it projected that the fuel cell market and major fuel cell material manufacturers will show increased interest in the technology. Finally, it is noted that alkaline electrochemistry is not confined to AEMFCs, and that the solutions developed within NEXTGAME will have direct applicability to other alkaline electrochemical technologies,e. g. electrolysers and batteries.