Het onderzoeksteam van INRS-hoogleraar Mohamed Mohamedi heeft een groene membraanloze brandstofcel ontworpen die zuurstof uit de lucht gebruikt. De resultaten van deze innovatieve microfluïdische toepassing - een primeur in Canada - werden gepubliceerd in Hernieuwbare en duurzame energie beoordelingen.

Conventionele brandstofcellen zijn alomtegenwoordig. Ze drijven elektrische auto's aan en drijven de computers aan die werden gebruikt bij de Apollo-maanlanding in 1969. Deze brandstofcellen verliezen spanning wanneer ze worden gebruikt en werken uiteindelijk niet meer. Dit gebeurt omdat alcoholmoleculen (methanol of ethanol) in het anodecompartiment van de brandstofcel het membraan kruisen dat hen scheidt van het kathodecompartiment. Zuurstofmoleculen in het kathodecompartiment reageren met de alcohol, spanningsdaling veroorzaken.

Wetenschappers hebben tevergeefs geprobeerd een membraan te ontwikkelen dat ervoor zorgt dat alcoholmoleculen er niet doorheen kunnen. Professor Mohamed Mohamedi, een hoofdauteur van de studie gepubliceerd op 8 september, nam een ​​andere wending:een brandstofcel ontwikkelen zonder membraan.

Zijn nieuwe oplossing kost minder en vereist minder fabricagestappen, maar het slaagt er niet in een belangrijke uitdaging aan te pakken. "Als het membraan wordt verwijderd, de methanol of ethanol reageert met de zuurstof, net als in conventionele brandstofcellen. Om spanningsdalingen te voorkomen, we moesten selectieve elektroden ontwikkelen in het kathodecompartiment. Deze elektroden, ontworpen door promovendus Juan Carlos Abrego-Martinez, inactief blijven in aanwezigheid van alcoholmoleculen, maar zijn gevoelig voor de zuurstof die elektriciteit opwekt, " Professor Mohamedi legt uit. Hij merkt nog een unieke eigenschap van deze membraanloze brandstofcel op:hij gebruikt zuurstof uit de lucht eromheen.

Van model tot prototype

De eerste stap die de onderzoekers namen bij het bouwen van een werkend prototype was het uitvoeren van numerieke simulaties gemaakt door Alonso Moreno Zuria, INRS postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur van de studie. Door computermodellering, het team testte verschillende configuraties van selectieve elektroden in de brandstofcel. "Conventionele brandstofcellen zijn als sandwiches met het membraan in het midden. We kozen ervoor om in plaats daarvan te werken aan een ontwerp met één laag. We moesten bepalen hoe de elektroden moesten worden geplaatst en verdeeld om het brandstofverbruik te maximaliseren, terwijl we rekening hielden met de zuurstofconcentratie in de omgevingslucht, ’ zegt professor Mohamedi.

Toen de onderzoekers eenmaal een configuratie hadden gevonden, ze testten een prototype dat een proof of concept werd. De membraanloze brandstofcel voedde een LED vier uur lang met slechts 234 microliter methanol. De onderzoekers willen de brandstofcel optimaliseren zodat deze ethanol kan gebruiken, een groenere brandstof die kan worden geproduceerd uit biomassa en landbouwafval. Ethanol levert ook meer vermogen per equivalente volume-eenheid.

Het team verwacht dat de brandstofcel draagbare elektronica zoals mobiele telefoons en microsystemen zoals luchtvervuilingssensoren van stroom zal voorzien. In tegenstelling tot conventionele batterijen die elektriciteit opslaan en moeten worden opgeladen, brandstofcellen blijven energie produceren zolang er brandstof beschikbaar is. "Deze manier van energievoorziening is vooral effectief wanneer opladen niet mogelijk is. Stel je voor dat je midden in de woestijn bent, zonder elektriciteit. U kunt uw mobiele telefoon opladen met een kleine capsule ethanol die u op het apparaat aansluit, ’ zegt professor Mohamedi.

Deze baanbrekende technologie heeft al de aandacht van de industrie getrokken, hoewel het onderzoeksteam zich nog maar in de prototypefase bevindt.