Effekter af tværbinderlængde på anionbyttermembranbrændselsceller

Anionbyttermembranbrændselsceller (AEMFC'er), som producerer elektricitet ved hjælp af brint, betragtes som et alternativ til aktuelt anvendte protonudvekslingsmembranbrændselsceller. Imidlertid, AEM'er har problemer med stabilitet under alkaliske forhold, som kan overvindes ved tværbinding. Men virkningerne af tværbinderens længde på AEMFC-ydelsen er ikke godt forstået. Nu, Koreanske videnskabsmænd har belyst sådanne virkninger for oxygenholdige tværbindere. Ved at bruge en optimal lang tværbinder, de producerede en ny AEMFC med større ydeevne.

Der gøres mange bestræbelser på verdensplan for at erstatte fossile brændstoffer med grønnere alternativer. Brint (H ₂ ) er en lovende mulighed, der i øjeblikket er i søgelyset; det kan bruges til at generere elektricitet i brændselsceller med vand genereret som det eneste biprodukt. Imidlertid, teknologien er ikke helt klar til kommercialisering, fordi protonudvekslingsmembranbrændselsceller, den mest studerede type, lider af høje omkostninger og stabilitetsproblemer.

I modsætning, anion-exchange membrane (AEM) brændselsceller bruger billigere katalysatorer og kan tilbyde overlegen ydeevne. I disse celler, hydroxidioner (OH ^- ) cirkuleres i stedet for protoner ved brug af en polymerelektrolyt sammensat af en polymerrygrad og ionledende grupper. En måde at forbedre egenskaberne af sådanne elektrolytter er ved at tværbinde - fysisk eller kemisk at forbinde polymerenheder til hinanden gennem molekylære sidekæder.

Selvom oxygenholdige tværbindere forbedrer stabiliteten og ionledningsevnen af ​​AEM'er i kraft af deres hydrofilicitet, eller affinitet for vand, virkningerne af tværbinderens længde, som definerer antallet af oxygenatomer, er ikke forstået i detaljer.

For at få dybere indsigt i dette problem, forskere ved Incheon National University udførte for nylig en undersøgelse, hvor de fremstillede lange AEM-polymerer med ammoniumionledende grupper og bandt disse molekyler sammen ved hjælp af ethylenoxidholdige tværbindere af forskellig længde. Gennem en bred vifte af eksperimenter, de sammenlignede AEM'er med forskellige tværbinderlængder med hensyn til deres mekaniske og termiske egenskaber, vandtilbageholdelsesevne, Åh ^- ionledningsevne, morfologi og stabilitet. Deres resultater er offentliggjort i Journal of Membrane Science , et toptidsskrift inden for polymervidenskab.

Eksperimenterne hjalp forskerne med at belyse de mekanismer, hvorved overdreven tværbindingslængde i sidste ende kan forringe ydeevnen af ​​AEM'er. Professor Tae-Hyun Kim, hvem ledede undersøgelsen, forklarer:"Selvom det var let at forudsige, at oxygenholdige tværbindere ville øge hydrofilicitet og muligvis føre til bedre ionledningsevne, vores resultater afslører, at et for stort antal gentagne oxygenenheder øger krystalliniteten - eller ordensgraden - af det resulterende materiale. På tur, dette reducerer faktisk hydrofilicitet og kompromitterer i sidste ende mange fysisk-kemiske egenskaber ved AEM."

Efter at have etableret den optimale længde for deres tværbinder, forskerne forberedte en AEM-brændselscelle og fandt ud af, at den resulterende ydeevne var markant bedre end ved brug af AEM'er uden oxygenholdige tværbindere. Spændt på resultaterne, Professor Kim sagde, "Det vigtigste ved vores undersøgelse er, at tilføjelse af molekyler med høj vandaffinitet, såsom ethylenoxid, at tværbindere af optimal længde er en gyldig strategi til at forbedre de grundlæggende egenskaber af AEM'er og deres ydeevne i faktiske brændselsceller."

Selvom der stadig er plads til forbedringer, før AEM-brændselsceller effektivt kan bruges i praksis og kommercialiseres, denne undersøgelse tager et yderligere skridt mod populariseringen af ​​næste generations miljøvenlige energikilder.