Teknologi gør brændselsceller mere kraftfulde, mere holdbar, billigere

En af de mest lovende rene energiteknologier er lige blevet endnu bedre. Forskere fra University of Delaware har udviklet den mest kraftfulde, holdbare hydroxidudvekslingsmembranbrændselscellekomponenter registreret, som de for nylig beskrev i journalen Naturenergi . Nøgleingrediensen? Membraner fremstillet af poly(arylpiperidinium) polymerer.

Brændselsceller fungerer ved at omdanne kemisk energi til elektricitet, og de er en lovende kraftkilde til miljøvenlige køretøjer. Der findes allerede nogle få brændselscellekøretøjer på markedet, inklusive Toyota Mirai, Honda Clarity og Hyundai Nexo, og flere brændselscellebiler er under udvikling verden over. Brændselscellerne i biler kræver brug af et dyrt katalysatormateriale, normalt platin, at fremskynde de kemiske reaktioner indeni. Disse kaldes protonmembranudvekslingsbrændselsceller, og de indeholder membraner lavet af et fluoreret polymermateriale.

I næsten to årtier, Yushan Yan, Udmærket ingeniørprofessor i kemi- og biomolekylær teknik, har arbejdet på at udvikle brændselsceller, der ikke kræver platinkatalysatorer og i stedet anvender billigere metaller, såsom sølv eller nikkel. Disse brændselsceller indeholder hydroxidudvekslingsmembraner, som skifter miljøet i brændselsceller fra surt - den nuværende standard - til alkalisk. Brændselscellens membran er det, der bestemmer pH indeni.

"Vi kan gøre komponenter meget billigere ved at skifte fra protonudvekslingsmembranbrændselsceller til hydroxidudvekslingsmembranbrændselsceller, " sagde Yan. For at lave disse membraner, Yan har været på jagt efter at udvikle optimal, skalerbare materialer. Til dette projekt, Yan hentede ekspertise fra en anden elektrokemiekspert ved UD — Bingjun Xu, adjunkt i kemi- og biomolekylær teknik.

Hydroxidbytningspolymerer består af en lang kæde, eller rygrad, og en sidekæde med en positivt ladet ion, eller kation. I Yans tidligere arbejde, sidekæderne brugt i hydroxidudvekslingsmembraner indeholdt meget store positive kationer, hvilket gjorde dem stabile, men hindrede deres ledningsevne. Rygradsmaterialet, på den anden side, var billig, men ikke tilstrækkeligt stabil.

"Spørgsmålet var:hvordan skaber man en ny polymer, der er stabil både for den organiske kation og rygraden på samme tid, med en lille kation?" sagde Yan.

Brug af poly(arylpiperidinium)-polymerer, holdet udviklede hydroxidudvekslingsmembraner og ionomerer med gunstige egenskaber, herunder god ionledningsevne, kemisk stabilitet, mekanisk robusthed, gasseparation og selektiv opløselighed. Da holdet testede disse materialer i et system med kun en meget lille mængde platin, brændselscellerne tilført luft havde en maksimal effekttæthed på 920 milliwatt pr. kvadratcentimeter og fungerede på en stabil måde ved en strømtæthed på 500 milliampere per kvadratcentimeter i 300 timer i luft ved 95 grader Celsius.

Dette er den bedste effekt- og stabilitetsstatistik endnu for en hydroxidudvekslingsmembran ved over 90 grader Celsius og det tætteste nogen er kommet på de 5000 driftstimer, der ville være påkrævet for at bruge denne teknologi i en bil.

Holdet udviklede en familie af polymerer, gør denne teknologi alsidig. "Der er mange knapper, vi kan dreje for at levere forskellige egenskaber, " sagde Yan. "Dette er en platformsteknologi."

Avisens første forfatter er forskningsassistent Junhua Wang, som har arbejdet på dette projekt siden 2011. "For at denne opdagelse skal gøres, han måtte være meget tålmodig, " sagde Yan. "Han er en vidunderlig videnskabsmand, meget kreativ og flittig."