Een van de meest veelbelovende technologieën voor schone energie is nu nog beter geworden. Onderzoekers van de Universiteit van Delaware hebben de krachtigste, duurzame brandstofcelcomponenten met hydroxide-uitwisselingsmembraan, die ze onlangs in het tijdschrift beschreven Natuur Energie . Het belangrijkste ingrediënt? Membranen gemaakt van poly(arylpiperidinium)polymeren.

Brandstofcellen werken door chemische energie om te zetten in elektriciteit, en ze zijn een veelbelovende krachtbron voor milieuvriendelijke voertuigen. Er zijn al enkele brandstofcelvoertuigen op de markt, waaronder de Toyota Mirai, de Honda Clarity en de Hyundai Nexo, en er zijn wereldwijd meer brandstofcelauto's in ontwikkeling. De brandstofcellen in auto's vereisen het gebruik van een duur katalysatormateriaal, meestal platina, om de chemische reacties binnenin te bespoedigen. Deze worden protonmembraanuitwisselingsbrandstofcellen genoemd, en ze bevatten membranen gemaakt van een gefluoreerd polymeer materiaal.

Bijna twee decennia lang Yushan Yan, Distinguished Ingenieurshoogleraar Chemische en Biomoleculaire Engineering, heeft gewerkt aan de ontwikkeling van brandstofcellen die geen platinakatalysatoren nodig hebben en in plaats daarvan goedkopere metalen gebruiken, zoals zilver of nikkel. Deze brandstofcellen bevatten hydroxide-uitwisselingsmembranen, die de omgeving in brandstofcellen verschuiven van zuur - de huidige standaard - naar alkalisch. Het membraan van de brandstofcel bepaalt de pH binnenin.

"We kunnen componenten veel goedkoper maken door over te schakelen van brandstofcellen met protonenuitwisselingsmembraan naar brandstofcellen met hydroxide-uitwisselingsmembraan. " zei Yan. Om deze membranen te maken, Yan is op zoek geweest naar optimale, schaalbare materialen. Voor dit project, Yan schakelde de expertise in van een andere elektrochemie-expert bij UD-Bingjun Xu, assistent-professor chemische en biomoleculaire engineering.

Hydroxide-uitwisselingspolymeren bestaan ​​uit een lange keten, of ruggengraat, en een zijketen met een positief geladen ion, of kation. In het vorige werk van Yan, de zijketens die worden gebruikt in hydroxide-uitwisselingsmembranen bevatten zeer grote positieve kationen, waardoor ze stabiel waren maar hun geleidbaarheid belemmerden. Het ruggengraatmateriaal, anderzijds, was goedkoop, maar niet voldoende stabiel.

"De vraag was:hoe maak je een nieuw polymeer dat tegelijkertijd stabiel is voor zowel het organische kation als de ruggengraat, met een klein kation?" zei Yan.

Met behulp van poly (arylpiperidinium) polymeren, het team ontwikkelde hydroxide-uitwisselingsmembranen en ionomeren met gunstige eigenschappen, inclusief goede ionengeleiding, chemische stabiliteit, mechanische robuustheid, gasscheiding en selectieve oplosbaarheid. Toen het team deze materialen testte in een systeem met slechts een zeer kleine hoeveelheid platina, de met lucht gevoede brandstofcellen hadden een piekvermogensdichtheid van 920 milliwatt per vierkante centimeter en werkten op stabiele wijze bij een stroomdichtheid van 500 milliampère per vierkante centimeter gedurende 300 uur in lucht bij 95 graden Celsius.

Dit zijn de beste vermogens- en stabiliteitsstatistieken tot nu toe voor een hydroxide-uitwisselingsmembraan bij meer dan 90 graden Celsius en het dichtst bij de 5000 bedrijfsuren die nodig zijn om deze technologie in een auto te gebruiken.

Het team ontwikkelde een familie van polymeren, waardoor deze technologie veelzijdig is. "Er zijn veel knoppen waaraan we kunnen draaien om verschillende eigenschappen te leveren, " zei Yan. "Dit is een platformtechnologie."

De eerste auteur van het artikel is onderzoeksmedewerker Junhua Wang, die sinds 2011 aan dit project werkt. "Om deze ontdekking te doen, hij moest heel geduldig zijn, " zei Yan. "Hij is een geweldige wetenschapper, heel creatief en ijverig."