Forskere udvikler ny teknologi, der kan fremskynde kommercialiseringen af ​​brændselscellekøretøjer

Et team af ingeniører ved University of Delaware har udviklet en teknologi, der kan gøre brændselsceller billigere og mere holdbare, et gennembrud, der kunne fremskynde kommercialiseringen af ​​brændselscellekøretøjer.

De beskriver deres resultater i et papir offentliggjort i Naturkommunikation på mandag, 4. sept.

Brintdrevne brændselsceller er et grønt alternativ til forbrændingsmotorer, fordi de producerer strøm gennem elektrokemiske reaktioner, efterlader ingen forurening.

Materialer kaldet katalysatorer ansporer disse elektrokemiske reaktioner. Platin er den mest almindelige katalysator i den type brændselsceller, der bruges i køretøjer.

Imidlertid, platin er dyrt - som enhver, der har købt smykker, ved. Metallet koster omkring $30, 000 pr kg.

I stedet, UD-teamet lavede en katalysator af wolframcarbid, hvilket koster omkring 150 dollars pr. kg. De producerede wolframcarbid nanopartikler på en ny måde, meget mindre og mere skalerbar end tidligere metoder.

"Materialet er typisk lavet ved meget høje temperaturer, omkring 1, 500 Celsius, og ved disse temperaturer, det vokser sig stort og har et lille overfladeareal til at kemi kan finde sted på, sagde Dionisios Vlachos, direktør for UD's Catalysis Center for Energy Innovation. "Vores tilgang er en af ​​de første til at lave nanoskala materiale med stort overfladeareal, der kan være kommercielt relevant for katalyse."

Forskerne lavede wolframcarbid nanopartikler ved hjælp af en række trin, herunder hydrotermisk behandling, adskillelse, reduktion, karburering og mere.

"Vi kan isolere de individuelle wolframcarbid nanopartikler under processen og lave en meget ensartet fordeling af partikelstørrelsen, " sagde Weiqing Zheng, en forskningsmedarbejder ved Catalysis Center for Energy Innovation.

Næste, forskerne inkorporerede nanopartiklerne af wolframcarbid i membranen af ​​en brændselscelle. Brændselsceller til biler, kendt som protonudvekslingsmembranbrændselsceller (PEMFC'er), indeholde en polymer membran. Denne membran adskiller katoden fra anoden, som spalter hydrogen (H2) til ioner (protoner) og leverer dem til katoden, som afgiver strøm.

Den plastiklignende membran slides med tiden, især hvis det gennemgår for mange våde/tørre cyklusser, hvilket let kan ske, da der produceres vand og varme under de elektrokemiske reaktioner i brændselsceller.

Når wolframcarbid er inkorporeret i brændselscellemembranen, det befugter membranen på et niveau, der optimerer ydeevnen.

"Wolframcarbidkatalysatoren forbedrer vandhåndteringen af ​​brændselsceller og reducerer belastningen af ​​befugtningssystemet, " sagde Liang Wang, en associeret videnskabsmand ved Institut for Maskinteknik.

Holdet fandt også ud af, at wolframcarbid fanger skadelige frie radikaler, før de kan nedbryde brændselscellemembranen. Som resultat, membraner med nanopartikler af wolframcarbid holder længere end traditionelle.

"Den billige katalysator, vi har udviklet, kan inkorporeres i membranen for at forbedre ydeevne og effekttæthed, " sagde . "Som et resultat, den fysiske størrelse af brændselscellestablen kan reduceres for samme effekt, gør det lettere og billigere. Desuden, vores katalysator er i stand til at levere højere ydeevne uden at ofre holdbarhed, hvilket er en stor forbedring i forhold til lignende indsats fra andre grupper."

UD-forskerholdet brugte innovative metoder til at teste holdbarheden af ​​en brændselscelle lavet med wolframcarbid. De brugte et scanningselektronmikroskop og fokuseret ionstråle til at få billeder i tynde skiver af membranen, som de analyserede med software, genopbygning af den tredimensionelle struktur af membranerne for at bestemme brændselscellens levetid.

Gruppen har søgt om patent og håber at kommercialisere deres teknologi.

"Dette er et meget godt eksempel på, hvordan forskellige grupper på tværs af afdelinger kan samarbejde, " sagde Zheng.