Een gezamenlijk onderzoeksteam, waaronder het Los Alamos National Laboratory, Universiteit van Stuttgart (Duitsland), Universiteit van New Mexico, en Sandia Nationale Laboratoria, heeft een protonengeleider ontwikkeld voor brandstofcellen op basis van polystyreenfosfonzuren die zonder water een hoge protonische geleidbaarheid behouden tot 200 graden C. Ze beschrijven de materiële vooruitgang in een krant die deze week in Natuurmaterialen .

Waterstof geproduceerd uit hernieuwbare, nucleair, of fossiele brandstoffen met koolstofafvang, gebruik, en opslag kan helpen om industrieën koolstofarm te maken en milieu-, energiebestendigheid en flexibiliteit in meerdere sectoren van de economie. Daar naartoe, brandstofcellen zijn een veelbelovende technologie die waterstof via een elektrochemisch proces omzet in elektriciteit, alleen water uitstoten.

"Terwijl de commercialisering van zeer efficiënte elektrische brandstofcelvoertuigen met succes is begonnen, " zei Yu Seung Kim, projectleider bij Los Alamos, "Er zijn verdere technologische innovaties nodig voor het brandstofcelplatform van de volgende generatie dat evolueert naar toepassingen voor zware voertuigen. Een van de technische uitdagingen van de huidige brandstofcellen is de warmteafstoting van de exotherme elektrochemische reacties van brandstofcellen.

"We hadden moeite om de prestaties van membraanbrandstofcellen op hoge temperatuur te verbeteren nadat we in 2016 een ionenpaar-gecoördineerd membraan hadden ontwikkeld. " zei Kim. "De ionenpaarpolymeren zijn goed voor membraangebruik, maar het hoge gehalte aan fosforzuurdoteermiddelen veroorzaakte elektrodevergiftiging en zuuroverstromingen toen we het polymeer als elektrodebindmiddel gebruikten."

In de huidige brandstofcellen door de brandstofcel op een hoge celspanning te laten werken, wordt aan de warmteafstotingsbehoefte voldaan. Om een ​​efficiënte brandstofcelaangedreven motor te realiseren, de bedrijfstemperatuur van brandstofcelstacks moet ten minste stijgen tot de motorkoelvloeistoftemperatuur (100 graden C).

"We geloofden dat gefosfoneerde polymeren een goed alternatief zouden zijn, maar eerdere materialen konden niet worden geïmplementeerd vanwege ongewenste anhydridevorming bij bedrijfstemperaturen van brandstofcellen. Dus hebben we ons gericht op het bereiden van gefosfoneerde polymeren die de anhydridevorming niet ondergaan. Het team van Kerres aan de Universiteit van Stuttgart was in staat om dergelijke materialen te bereiden door een fluoreenheid in het polymeer te introduceren. Het is opwindend dat we nu zowel een membraan als een ionomeer bindmiddel hebben voor hogetemperatuurbrandstofcellen, " zei Kim.

Tien jaar geleden, Atanasov en Kerres ontwikkelden een nieuwe synthese voor een gefosfoneerd poly(pentafluorstyreen) die bestond uit de stappen (i) polymerisatie van pentafluorstyreen via radicale emulsiepolymerisatie en (ii) fosfonering van dit polymeer door een nucleofiele fosfoneringsreactie. Verrassend genoeg, dit polymeer vertoonde een goede protongeleiding die hoger is dan Nafion in het temperatuurbereik> 100 graden C, en een onverwacht uitstekende chemische en thermische stabiliteit van> 300 graden C.

Atanasov en Kerres deelden hun ontwikkeling met Kim in Los Alamos, wiens team op hun beurt brandstofcellen voor hoge temperaturen ontwikkelde voor gebruik met de gefosfoneerde polymeren. Met de integratie van membraanelektrode-assemblage met LANL's ion-pair-gecoördineerde membraan (Lee et al. Nature Energy, 1, 16120, 2016), de brandstofcellen die gebruik maakten van het gefosfoneerde polymeer vertoonden een uitstekende vermogensdichtheid (1,13 W cm-2 onder H ₂ /O ₂ voorwaarden met> 500 h stabiliteit bij 160 graden C).

Wat is het volgende? "Reikt meer dan 1 W cm ^-2 vermogensdichtheid is een cruciale mijlpaal die ons vertelt dat deze technologie met succes op de markt kan worden gebracht", aldus Kim. de technologie streeft naar commercialisering via ARPA-E van het Department of Energy en het Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office binnen het Energy Efficiency and Renewable Energy Office (EERE).