Banebrydende materiale gør vej til brintbrug til brændselsceller under varme, tørre forhold

Et samarbejdende forskerhold, herunder Los Alamos National Laboratory, Universitetet i Stuttgart (Tyskland), University of New Mexico, og Sandia National Laboratories, har udviklet en protonleder til brændselsceller baseret på polystyrenphosphonsyrer, der opretholder høj protonledningsevne op til 200 grader C uden vand. De beskriver det materielle fremskridt i et papir offentliggjort i denne uge i Naturmaterialer .

Brint fremstillet af vedvarende, atomisk, eller fossile brændstoffer med kulstoffangst, udnyttelse, og opbevaring kan hjælpe med at dekarbonisere industrier og give miljø-, energiresiliens og fleksibilitet på tværs af flere sektorer i økonomien. Hen mod det, brændselsceller er en lovende teknologi, der omdanner brint til elektricitet gennem en elektrokemisk proces, udsender kun vand.

"Mens kommercialiseringen af ​​højeffektive brændselscelle-elkøretøjer er begyndt med succes, " sagde Yu Seung Kim, projektleder hos Los Alamos, "Yderligere teknologiske innovationer er nødvendige for, at næste generation af brændselscelleplatformen udvikler sig hen imod applikationer til tunge køretøjer. En af de tekniske udfordringer ved nuværende brændselsceller er varmeafvisningen fra brændselscellers eksoterme elektrokemiske reaktioner.

"Vi havde kæmpet for at forbedre ydeevnen af ​​højtemperaturmembranbrændselsceller, efter at vi havde udviklet en ion-par-koordineret membran i 2016, " sagde Kim. "Ion-par polymererne er gode til membranbrug, men det høje indhold af fosforsyre-doteringsmidler forårsagede elektrodeforgiftning og syreoversvømmelser, da vi brugte polymeren som elektrodebindemiddel."

I nuværende brændselsceller, varmeafvisningskravet opfyldes ved at drive brændselscellen ved en høj cellespænding. For at opnå en effektiv brændselscelledrevet motor, driftstemperaturen for brændselscellestablerne skal mindst stige til motorens kølevæsketemperatur (100 grader C).

"Vi troede på, at fosfonerede polymerer ville være et godt alternativ, men tidligere materialer kunne ikke implementeres på grund af uønsket anhydriddannelse ved brændselscelledriftstemperaturer. Så vi har fokuseret på at fremstille fosfonerede polymerer, der ikke gennemgår anhydriddannelsen. Kerres' team ved University of Stuttgart var i stand til at fremstille sådanne materialer ved at indføre fluordel i polymeren. Det er spændende, at vi nu har både membran og ionomerisk bindemiddel til højtemperaturbrændselsceller, " sagde Kim.

Ti år siden, Atanasov og Kerres udviklede en ny syntese for en fosfoneret poly(pentafluorstyren), som bestod af trinene (i) polymerisation af pentafluorstyren via radikal emulsionspolymerisation og (ii) fosfonering af denne polymer ved en nukleofil fosfoneringsreaktion. Overraskende nok, denne polymer viste en god protonledningsevne, der var højere end Nafion i temperaturområdet> 100 grader C, og en uventet fremragende kemisk og termisk stabilitet på> 300 grader C.

Atanasov og Kerres delte deres udvikling med Kim i Los Alamos, hvis team igen udviklede højtemperaturbrændselsceller til brug med de fosfonerede polymerer. Med integrationen af ​​membranelektrodesamling med LANL's ion-par koordinerede membran (Lee et al. Nature Energy, 1, 16120, 2016), brændselscellerne, der anvender den fosfonerede polymer, udviste en fremragende effekttæthed (1,13 W cm-2 under H ₂ /O ₂ forhold med> 500 timers stabilitet ved 160 grader C).

Hvad er det næste? "Når over 1 W cm ^-2 strømtæthed er en kritisk milepæl, der fortæller os, at denne teknologi med succes kan gå til kommercialisering," sagde Kim. I øjeblikket, teknologien forfølger kommercialisering gennem Department of Energy's ARPA-E og Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office inden for Energy Efficiency and Renewable Energy Office (EERE).