Forskere turbolader brintceller med ny ionledende copolymer

Fornyede investeringer i teknologier og infrastruktur for brintbrændstofceller fra virksomheder som Amazon; nationer som Kina; og bilproducenter som Toyota, Honda, og Hyundai, skaber salg og ny interesse for polymer-elektrolytbrændselscellers enorme muligheder. Den friske interesse kunne revolutionere transporten og fylde gader med køretøjer, hvis eneste spildevand er vanddamp.

Men den vision om ren, grønne biler og lastbiler dæmpes af behovet for ikke kun massive investeringer i infrastruktur, men for mere effektive processer i cellerne selv. Innovationer, der sænker produktionsomkostningerne - hvilket betyder lavere mærkatpris - og som åbner døren for flere køretøjssegmenter, herunder præstationsbiler, kunne drive større adoption.

Et team af forskere ved NYU Tandon School of Engineering, ledet af Miguel Modestino, professor i kemisk og biomolekylær teknik, og Lawrence Berkeley National Laboratory har skabt et nyt polymert materiale med potentiale til at løse begge problemer.

Forskningen, "Meget permeable perfluorerede sulfonsyre -jonomere til forbedrede elektrokemiske enheder:Indsigt i struktur - ejendomsforhold, "offentliggjort i Journal of the American Chemical Society , fokuserer på et hybridmateriale, der leverer rigelige mængder ilt fra atmosfæren til cellens elektrodereaktionssteder - der genererer mere strøm - samtidig med at mængden af ​​dyre materialer som platin er nødvendig i brændselsceller reduceres, potentielt løser en stor industriel udfordring.

Brintbrændstofceller består af en anode og en katode, med en elektrolytmembran imellem dem. Elektricitet produceres i en proces, hvorved hydrogen reagerer i anoden og atmosfærisk ilt i katoden. På sidstnævnte sted, protoner kombineres med ilt for at producere elektricitet og vand. Ionledende polymerer (ionomerer) bruges til at bringe protonerne til reaktionsstederne, hvor ilt fra luft skal trænge igennem dem for at drive den el-genererende reaktion.

Nuværende, kommercielt tilgængelige ionomerer er typisk perfluorerede sulfonsyre (PFSA) polymerer, der omfatter en lineær kædelignende rygrad bestående af polytetrafluorethylen (PTFE) matrix, og vedhængende sulfonsyregrupper fastgjort til PTFE-rygraden, der giver ionledningsevne. Mens denne komplekse kombination, molekylært ligner teflon, giver høj mekanisk styrke, forskning viser, at det lider af lav iltgennemtrængelighed, hvilket fører til betydelige energitab brændselsceller.

Forskerne - herunder Yoshi Okamoto, professor i kemiteknik og direktør for Polymer Research Institute ved NYU Tandon, og ph.d. studerende Adlai Katzenberg, der gjorde forskningen som en del af et amerikansk Department of Energy -stipendium - løste flere problemer på én gang ved at bytte de lineære PTFE -polymerkæder med en omfangsrig fluoreret kæde, hvilket tilføjede mere frit volumen til matricen, forbedrer sin evne til at transportere ilt i brændselsceller markant.

Modestino forklarer, at hybridmaterialet omfatter en ionledende polymer og en yderst permeabel matrix. "Vi har skabt en ny copolymer - to komponenter bundet sammen. Den ene del leder ioner, og den anden er stærkt permeabel for ilt, "siger han." Okamoto havde arbejdet på meget permeable polymerer til gasseparationsprocesser. Da jeg sluttede mig til NYU Tandon, vi indså, at de polymerer, han havde udviklet, kunne tilpasses til at forbedre brændselsceller. "