Oprettelse af længerevarende brændselsceller

Brændselsceller kunne en dag generere elektricitet til næsten enhver enhed, der er batteridrevet, herunder biler, bærbare computere og mobiltelefoner. Typisk bruger brint som brændstof og luft som oxidant, brændselsceller er renere end forbrændingsmotorer, fordi de producerer strøm via elektrokemiske reaktioner. Da vand er deres primære produkt, de reducerer forureningen betydeligt.

Et problem, der påvirker brændselscellens levetid, er oxidationen, eller sammenbrud, af dens centrale elektrolytmembran. Processen fører til dannelse af huller i membranen og kan i sidste ende forårsage en kemisk kortslutning.

Et ingeniørhold ved Washington University i St. Louis har udviklet en ny måde at tage et kig på den hastighed, hvormed oxidation sker. Ved hjælp af fluorescensspektroskopi inde i brændselscellen, de er i stand til at undersøge dannelsen af ​​de kemikalier, der er ansvarlige for oxidationen, nemlig frie radikaler, under drift. Teknikken kunne være en game changer, når det kommer til at forstå, hvordan cellerne nedbrydes, og design af afbødningsstrategier, der ville forlænge brændselscellens levetid.

"Hvis du køber en enhed - en bil, en mobiltelefon - du vil have den til at holde så længe som muligt, " sagde Vijay Ramani, Roma B. og Raymond H. Wittcoff Distinguished Professor of Environment &Energy ved School of Engineering &Applied Science. "Desværre, komponenter i en brændselscelle kan nedbrydes, og det er ikke en nem løsning. Hvad vores nye forskning gør, er virkelig at kaste lys over en af ​​de tilstande, hvormed disse enheder kan fejle, giver os mulighed for at finde ud af metoder, så vi kan forbedre levetiden for enheder, der bruger disse brændselsceller."

Forskningen, offentliggjort i bladet denne sommer ChemSusChem , er den første til at benytte en in situ tilgang til at undersøge brændselscellens indre membraner. Et fluorescerende farvestof er inkorporeret og brugt som en markør til at fastslå den hastighed, hvormed skadelige frie radikaler dannes under drift.

"Ved at bruge fluorescensspektroskopi i forbindelse med en optisk fiber, vi kan kvantificere de oxidative frie radikaler, der genereres inde i brændselscellen, som arbejder på at nedbryde membranerne, " sagde Yunzhu Zhang, en ph.d.-kandidat i Ramanis laboratorium, og studiemedforfatter.

Da de var i stand til at observere brændselscellens indre funktion, forskerne bemærkede, at jo svagere lyset udsendes fra brændselscellemembranen, jo større nedbrydning sker indefra.

"Vi kan se denne proces ske i realtid, " sagde Shrihari Sankarasubramanian, en postdoc, der bistod med projektet.

Indtil nu, forskere, der undersøgte brændselscelle-nedbrydning, stolede på cellens emissioner for at bestemme, hvilke kemiske reaktioner der kunne have været skyld i membrannedbrud. De siger, at denne nye tilgang giver dem mulighed for at fokusere på de faktorer, der finder sted indeni for en bedre vurdering.

"Da de frie radikaler, der forårsager nedbrydning af brændselscellemembranen, er så kortlivede, og anionbyttermembranerne er så tynde, vores nye in situ tilgang er nøglen til bedre studier, forstå og forhindre de kemiske nedbrud, der opstår under brændselscelledrift, " sagde Javier Parrondo, en postdoc-forsker og forskningsmedforfatter.

"Det næste skridt er at introducere antioxidantkemikalier inde i brændselscellemembranerne, for at se, om de kan reducere hastigheden, hvormed disse membraner nedbrydes, " sagde Ramani.