Forskere optrævler mysterierne bag polymerstrenge i brændselsceller

Brintbrændselsceller tilbyder en attraktiv kilde til kontinuerlig energi til fjerntliggende applikationer, fra rumfartøjer til fjerntliggende vejrstationer. Brændselscelleeffektiviteten falder, efterhånden som Nafion-membranen, bruges til at adskille anoden og katoden i en brændselscelle, svulmer, når det interagerer med vand.

Et russisk og australsk samarbejde har nu vist, at denne Nafion-separatormembran delvist afvikler nogle af dens bestanddele, som derefter rager væk fra overfladen ind i bulkvandfasen i hundredvis af mikron.

Forskerholdet blev ledet af en gruppe i Rusland sammen med den australske professor Barry Ninham fra Australian National University i Canberra, en førende specialist i kolloid- og grænsefladevidenskab. Deres resultater blev offentliggjort i denne uge i The Journal of Chemical Physics .

Forskerholdet begyndte dette projekt for at undersøge en foreslået hypotese, der tilskrev en ny vandtilstand for at forklare hævelse af Nafion-membranen. I stedet, de er de første til at beskrive væksten af ​​polymerfibre, der strækker sig fra membranoverfladen, når den interagerer med vand. Antallet af fibre stiger som funktion af deuteriumkoncentrationen i vandet.

"For at øge vores forståelse af disse membraner, vi havde brug for at beskrive interaktionen på molekylært niveau af deutereret vand med polymeren, " sagde Bunkin. "Nu hvor vi kender strukturen af ​​'udelukkelseszonen', vi kan skræddersy Nafion-strukturen og dens elektriske egenskaber ved at studere ændringer induceret af ionspecifikke (Hofmeister) effekter på dens organisation og funktion."

Nafion er den højeste ydeevne kommercielt tilgængelige protonudvekslingsmembran af brintoxid, der hidtil er brugt i brændselsceller. Dens porøse natur tillader betydelig koncentration af elektrolytopløsningen, mens anoden adskilles fra katoden, som tillader strømmen af ​​elektroner, der producerer energi i brændselscellen.

Forskerne fandt ud af, at membranen er specifikt følsom over for deuteriumindholdet i det omgivende vand ved at væve overfladens struktur. Polymerfibrene strækker sig fra membranen ind i vandet. Effekten er mest udtalt i vand med deuteriumindhold mellem 100 og 1, 000 dele per million.

Til denne undersøgelse, holdet udviklede en specialiseret laserinstrumentering (fotoluminescerende UV-spektroskopi) til at karakterisere polymerfibrene langs membran-vand-grænsefladen. Selvom de individuelle fibre ikke blev observeret direkte på grund af den rumlige begrænsning af instrumenteringen, holdet opdagede pålideligt deres udvækst i vandet.

"Betydningen af ​​dette arbejde kan give en indgang til nogle meget grundlæggende områder af biologi og energiproduktion, som vi ikke havde en anelse om, " sagde Bunkin.