Nyt brændselscellekoncept bringer biologisk design til bedre elproduktion

Brændselsceller har længe været betragtet som en lovende strømkilde. Disse enheder, opfundet i 1830'erne, generere elektricitet direkte fra kemikalier, såsom brint og ilt, og producerer kun vanddamp som emissioner. Men de fleste brændselsceller er for dyre, ineffektiv, eller begge.

I en ny tilgang, inspireret af biologi og udgivet i dag (3. oktober, 2018) i bladet Joule , et team fra University of Wisconsin-Madison har designet en brændselscelle ved hjælp af billigere materialer og en organisk forbindelse, der transporterer elektroner og protoner.

I en traditionel brændselscelle, elektronerne og protonerne fra brint transporteres fra en elektrode til en anden, hvor de kombineres med ilt for at producere vand. Denne proces omdanner kemisk energi til elektricitet. For at generere en meningsfuld mængde ladning på kort nok tid, en katalysator er nødvendig for at accelerere reaktionerne.

Lige nu, den bedste katalysator på markedet er platin – men den kommer med en høj pris. Dette gør brændselsceller dyre og er en af ​​grundene til, at der i øjeblikket kun er et par tusinde køretøjer, der kører på brintbrændstof på de amerikanske veje.

Shannon Stahl, UW-Madison professor i kemi, der ledede undersøgelsen i samarbejde med Thatcher Root, professor i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab, siger, at billigere metaller kan bruges som katalysatorer i nuværende brændselsceller, men kun hvis det bruges i store mængder. "Problemet er, når du tilslutter for meget af en katalysator til en elektrode, materialet bliver mindre effektivt, " han siger, "fører til tab af energieffektivitet."

Holdets løsning var at pakke et billigere metal, kobolt, ind i en reaktor i nærheden, hvor den større mængde materiale ikke forstyrrer dets ydeevne. Holdet udtænkte derefter en strategi til at transportere elektroner og protoner frem og tilbage fra denne reaktor til brændselscellen.

Det rigtige køretøj til denne transport viste sig at være en organisk forbindelse, kaldet en quinon, der kan bære to elektroner og protoner ad gangen. I teamets design, en kinon opfanger disse partikler ved brændselscelleelektroden, transporterer dem til den nærliggende reaktor fyldt med en billig koboltkatalysator, og vender derefter tilbage til brændselscellen for at hente flere "passagerer".

Mange quinoner nedbrydes til et tjærelignende stof efter kun få rundrejser. Stahls laboratorium, imidlertid, designet et ultrastabilt quinonderivat. Ved at ændre dens struktur, holdet bremsede drastisk nedbrydningen af ​​quinonen. Faktisk, de forbindelser, de samlede, holder op til 5, 000 timer - en mere end 100-dobling i levetid sammenlignet med tidligere quinonstrukturer.

"Selvom det ikke er den endelige løsning, vores koncept introducerer en ny tilgang til at løse problemerne på dette område, " siger Stahl. Han bemærker, at energiproduktionen af ​​hans nye design producerer omkring 20 procent af, hvad der er muligt i brintbrændselsceller på markedet i øjeblikket. På den anden side, systemet er omkring 100 gange mere effektivt end biobrændselsceller, der bruger relaterede organiske shuttles.

Det næste skridt for Stahl og hans team er at øge quinonformidlernes præstationer, giver dem mulighed for at sende elektroner mere effektivt og producere mere strøm. Dette fremskridt ville gøre det muligt for deres design at matche ydeevnen af ​​konventionelle brændselsceller, men med en lavere pris.

"Det ultimative mål for dette projekt er at give industrien kulstoffrie muligheder for at skabe elektricitet, " siger Colin Anson, en postdoc-forsker i Stahl-laboratoriet og publikationsmedforfatter. "Målet er at finde ud af, hvad industrien har brug for og skabe en brændselscelle, der fylder det hul."

Dette trin i udviklingen af ​​et billigere alternativ kan i sidste ende være en velsignelse for virksomheder som Amazon og Home Depot, der allerede bruger brintbrændselsceller til at køre gaffeltrucks i deres varehuse.

"På trods af store forhindringer, brintøkonomien ser ud til at vokse, tilføjer Stahl, "et skridt ad gangen."