Design af en lettere, tættere brændselscelle

Brændselscelleteknologien udvikler sig løbende, efterhånden som vedvarende energi og alternative energikilder bliver et stadig vigtigere middel til at reducere den globale afhængighed af fossile brændstoffer. Plane brændselsceller, et udbredt design, kan være omfangsrige, have kompressionsproblemer og ujævn strømfordeling. Andre ulemper omfatter problemer med reaktantgastransport, fjernelse af overskydende vand og fremstillingsudfordringer forbundet med deres design.

Et team af UConn-forskere ledet af Jasna Jankovic, en assisterende professor ved Institut for Materialevidenskab og Ingeniørvidenskab på School of Engineering, har udtænkt et nyt design til en rørformet polymer elektrolytmembran (PEM) brændselscelle, der adresserer disse mangler og forbedrer eksisterende rørformede PEM-brændselscelledesign, hvoraf de fleste tager en plan PEM-brændselscelle og krøller den til en cylinder.

Jankovic og to kandidatstuderende, Sara Pedram og Sean Small, tog en mere holistisk tilgang, der gentænker design af rørformede brændselsceller fra bunden af. Deres forstyrrende, patentanmeldte koncept kunne potentielt have næsten dobbelt så stor energitæthed som andre rørformede PEM-brændselsceller, være 50 procent lettere, have en udskiftelig indre elektrode og elektrolyt (hvis væske), en lækagesikker konfiguration og kræve færre ædelmetaller .

Det er en stor ting, siger Michael Invernale, en senior licenschef hos UConn's Technology Commercialization Services (TCS), der arbejder sammen med Jankovic for at bringe konceptet på markedet. En stor del af indsatsen for at forbedre brændselscelledesignet, siger han, har fokuseret på slutbrugeren i stedet for det større gode.

"En brændselscelle med genopfyldelige komponenter er en slags løsning, der gør det," siger Invernale. "Et flyselskab, der er afhængigt af denne teknologi, ville have mere incitament til at genopbygge en komponent. Lige nu kan det være billigere at udskifte hele enheden. Det er virkelig her, dette design skinner. Funktionerne i designet er grønne og bæredygtige og vedvarende."

Brændselsceller er i det væsentlige optankbare elektrokemiske elproduktionsenheder, der kombinerer brint og ilt for at generere elektricitet, varme og vand. Hver type klassificeres primært efter den type elektrolyt, den bruger. Plane brændselsceller er konstrueret ved hjælp af sandwich-lignende stakke af store, rektangulære strømningsfeltplader lavet af grafit eller metal, som tegner sig for omkring 80 procent af deres vægt og 40 procent af deres omkostninger. UConns design bruger et enkelt rørformet flowfelt, der reducerer dets vægt til det halve.

Konceptet er stadig under opdagelse og har I-Corps og Partnership for Innovation (PFI)-finansiering fra National Science Foundation (NSF). Programmet blev oprettet for at fremme oversættelsen af ​​grundforskning til markedet, tilskynde til samarbejde mellem den akademiske verden og industrien og uddanne NSF-finansierede fakulteter, studerende og andre forskere i innovations- og iværksætterevner.

Deltagende forskerhold har mulighed for at interviewe potentielle kunder for at lære mere om deres behov. Jankovic og hendes team gennemførte omkring 60 interviews under et UConn Accelerator-program i begyndelsen af ​​2022, der hjalp dem med at udvide markedet og besvare vigtige spørgsmål om, hvorvidt de skulle starte en længere proces, fremstille produktet selv eller licensere teknologien til en anden virksomhed.

"Det var meget nyttigt at få feedback og vejledning fra folk i industrien," siger Jankovic.

Jankovic ledede holdet som PI, hvor Pedram og Small fungerede som henholdsvis Entrepreneurial Lead og Co-Lead. Lenard Bonville, holdets industrielle mentor, vil støtte holdet med sine årtiers industrielle erfaring. Holdet vil gennemføre endnu et sæt på 100 interviews med industrien for at opdage markedet for deres produkt og få vejledning om dets endelige design. NSF-Partnership for Innovation (PFI)-midler vil derefter blive brugt til at udvikle en prototype og forfølge kommercialisering.

Brændselsceller har en bred vifte af applikationer, lige fra at drive hjem og virksomheder til at holde kritiske faciliteter som hospitaler, købmandsforretninger og datacentre oppe og køre, og flytte en række forskellige køretøjer, herunder biler, busser, lastbiler, gaffeltrucks, tog, og mere. Jankovics team arbejder på at opnå et fuldt patent på deres design og grundigt teste konceptet. På kort sigt er de fokuseret på at kommercialisere teknologien og tiltrække potentielle partnere.

Jankovic forestiller sig at skabe en brændselscelle omtrent på størrelse med et AA-batteri, men som en skalerbar og modulær teknologi kan den skaleres op til enhver praktisk størrelse. Den cylindriske form ville gøre det muligt for flere brændselsceller at optage den samme mængde plads som dem, der er i brug nu og være billigere at fremstille, sagde Invernale. Jankovic ser sit brændselscelledesign som en erstatning for lithium-ion-batterier.

Jankovic sagde, at hendes syv år i industrien, før hun kom til UConn, overbeviste hende om, at der var et behov på markedet for et nyt og bedre brændselscelledesign.

"Fra den erfaring vidste jeg, at plane brændselsceller havde et par problemer," siger hun. "Jeg blev ved med at spørge rundt, og jeg sagde, 'lad os gøre det og finde ud af ja eller nej'." + Udforsk yderligere

Undersøgelse af en ny bio-inspireret protonudvekslingsmembranbrændselscelle