Hernieuwde investeringen in waterstofbrandstofceltechnologieën en infrastructuur door bedrijven als Amazon; landen als China; en autofabrikanten zoals Toyota, Honda, en Hyundai, leiden tot verkoop en nieuwe interesse in de enorme mogelijkheden van polymeer-elektrolyt-brandstofcellen. De nieuwe interesse kan een revolutie teweegbrengen in het transport en straten vullen met voertuigen waarvan het enige effluent waterdamp is.

Maar die visie van schoon, groene auto's en vrachtwagens wordt belemmerd door de noodzaak van niet alleen enorme investeringen in infrastructuur, maar voor efficiëntere processen in de cellen zelf. Innovaties die de productiekosten verlagen, dus een lagere stickerprijs, en die de deur openen naar meer voertuigsegmenten, inclusief prestatieauto's, zou kunnen leiden tot een grotere acceptatie.

Een team van onderzoekers van de NYU Tandon School of Engineering, onder leiding van Miguel Modestino, hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering, en Lawrence Berkeley National Laboratory heeft een nieuw polymeer materiaal gecreëerd met het potentieel om beide problemen op te lossen.

Het onderzoek, "Zeer permeabele geperfluoreerde sulfonzuurionomeren voor verbeterde elektrochemische apparaten:inzicht in structuur-eigendomsrelaties, " gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society , richt zich op een hybride materiaal dat grote hoeveelheden zuurstof uit de atmosfeer naar de elektrodereactieplaatsen van de cel levert - waardoor meer vermogen wordt gegenereerd - terwijl de hoeveelheid dure materialen zoals platina die nodig is in brandstofcellen, wordt verminderd, mogelijk een grote uitdaging in de sector oplossen.

Waterstofbrandstofcellen bestaan ​​uit een anode en een kathode, met daartussen een elektrolytmembraan. Elektriciteit wordt geproduceerd in een proces waarbij waterstof in de anode reageert en zuurstof uit de lucht in de kathode. Op laatstgenoemde locatie protonen combineren met zuurstof om elektriciteit en water te produceren. Ionengeleidende polymeren (ionomeren) worden gebruikt om de protonen naar de reactieplaatsen te brengen waar zuurstof uit de lucht er doorheen moet dringen om de elektriciteitsopwekkende reactie aan te drijven.

Huidig, commercieel verkrijgbare ionomeren zijn typisch geperfluoreerde sulfonzuur (PFSA) polymeren die een lineaire ketenachtige ruggengraat omvatten die is samengesteld uit polytetrafluorethyleen (PTFE) matrix, en hangende sulfonzuurgroepen bevestigd aan de PTFE-ruggengraat die ionengeleiding verlenen. Hoewel deze complexe combinatie, moleculair vergelijkbaar met Teflon, verleent een hoge mechanische sterkte, onderzoek toont aan dat het lijdt aan een lage zuurstofdoorlaatbaarheid, leiden tot aanzienlijke energieverliezen brandstofcellen.

De onderzoekers, waaronder Yoshi Okamoto, een professor in chemische technologie en directeur van het Polymer Research Institute aan de NYU Tandon, en Ph.D. student Adlai Katzenberg, die het onderzoek deed als onderdeel van een fellowship van het Amerikaanse Department of Energy - verschillende problemen tegelijk oploste door de lineaire PTFE-polymeerketens te verwisselen met een omvangrijke gefluoreerde keten, die meer vrij volume aan de matrix toevoegde, waardoor het vermogen om zuurstof in brandstofcellen te transporteren enorm wordt verbeterd.

Modestino legt uit dat het hybride materiaal een ionengeleidend polymeer en een zeer permeabele matrix omvat. "We hebben een nieuw copolymeer gemaakt:twee componenten die aan elkaar zijn gebonden. Een deel geleidt ionen, en de andere is zeer doorlaatbaar voor zuurstof, " zegt hij. "Okamoto had gewerkt aan zeer permeabele polymeren voor gasscheidingsprocessen. Toen ik bij NYU Tandon kwam, we realiseerden ons dat de polymeren die hij had ontwikkeld, konden worden aangepast om brandstofcellen te verbeteren."