Brandstofceltechnologie evolueert voortdurend, aangezien hernieuwbare energie en alternatieve energiebronnen een steeds belangrijker middel worden om de wereldwijde afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen. Planaire brandstofcellen, een gangbaar ontwerp, kunnen omvangrijk zijn, compressieproblemen hebben en ongelijkmatige stroomverdeling. Andere nadelen zijn onder meer problemen met het transport van reactantgas, verwijdering van overtollig water en fabricage-uitdagingen die verband houden met hun ontwerp.

Een team van UConn-onderzoekers onder leiding van Jasna Jankovic, een assistent-professor in de afdeling Materials Science and Engineering aan de School of Engineering, heeft een nieuw ontwerp bedacht voor een brandstofcel met buisvormig polymeerelektrolytmembraan (PEM) die deze tekortkomingen aanpakt en verbetert bestaande buisvormige PEM-brandstofcelontwerpen, waarvan de meeste een vlakke PEM-brandstofcel nemen en deze tot een cilinder krullen.

Jankovic en twee afgestudeerde studenten, Sara Pedram en Sean Small, kozen voor een meer holistische benadering die het ontwerp van buisvormige brandstofcellen van de grond af heroverweegt. Hun disruptieve concept waarvoor patent is aangevraagd, zou mogelijk bijna twee keer de energiedichtheid hebben van andere buisvormige PEM-brandstofcellen, 50 procent lichter zijn, een vervangbare binnenelektrode en elektrolyt (indien vloeibaar) hebben, een lekvrije configuratie en minder edele metalen nodig hebben .

Dat is een groot probleem, zegt Michael Invernale, een senior licentiemanager bij UConn's Technology Commercialization Services (TCS) die samenwerkt met Jankovic om het concept op de markt te brengen. Veel van de inspanningen om het ontwerp van brandstofcellen te verbeteren, zijn volgens hem gericht op de eindgebruiker in plaats van op het grotere goed.

"Een brandstofcel met hervulbare componenten is een soort oplossing die dat doet", zegt Invernale. "Een luchtvaartmaatschappij die op deze technologie vertrouwt, zou meer geneigd zijn om een ​​onderdeel te herbouwen. Op dit moment is het misschien goedkoper om de hele eenheid te vervangen. Dat is echt waar dit ontwerp uitblinkt. De kenmerken van het ontwerp zijn groen, duurzaam en hernieuwbaar."

Brandstofcellen zijn in wezen hervulbare elektrochemische stroomopwekkingsapparaten die waterstof en zuurstof combineren om elektriciteit, warmte en water op te wekken. Elk type wordt voornamelijk geclassificeerd door het soort elektrolyt dat het gebruikt. Planaire brandstofcellen worden geconstrueerd met behulp van sandwich-achtige stapels grote, rechthoekige stroomveldplaten gemaakt van grafiet of metaal, die ongeveer 80 procent van hun gewicht en 40 procent van hun kosten vertegenwoordigen. Het ontwerp van UConn maakt gebruik van een enkel buisvormig stroomveld dat het gewicht met de helft vermindert.

Het concept is nog in ontdekking en heeft I-Corps en Partnership for Innovation (PFI) financiering van de National Science Foundation (NSF). Het programma is opgezet om de vertaling van fundamenteel onderzoek naar de markt te stimuleren, samenwerking tussen de academische wereld en de industrie aan te moedigen en door NSF gefinancierde docenten, studenten en andere onderzoekers op te leiden in innovatie en ondernemerschapsvaardigheden.

Deelnemende onderzoeksteams hebben de mogelijkheid om potentiële klanten te interviewen om meer te weten te komen over hun behoeften. Jankovic en haar team hebben begin 2022 zo'n 60 interviews afgenomen tijdens een UConn Accelerator-programma dat hen hielp de markt te vergroten en belangrijke vragen te beantwoorden over het al dan niet starten van een langer proces, het zelf maken van het product of het in licentie geven van de technologie aan een ander bedrijf.

"Het was erg nuttig om feedback en begeleiding te krijgen van mensen uit de industrie", zegt Jankovic.

Jankovic leidde het team als PI, met Pedram en Small, respectievelijk als Entrepreneurial Lead en Co-Lead. Lenard Bonville, de industriële mentor van het team, zal het team ondersteunen met zijn decennialange industriële ervaring. Het team zal nog een reeks van 100 interviews met de industrie houden om de markt voor hun product te ontdekken en begeleiding te krijgen bij het uiteindelijke ontwerp. NSF-Partnership for Innovation (PFI) financiering zal vervolgens worden gebruikt om een ​​prototype te ontwikkelen en commercialisering na te streven.

Brandstofcellen hebben een breed scala aan toepassingen, van het aandrijven van huizen en bedrijven tot het in bedrijf houden van kritieke faciliteiten zoals ziekenhuizen, supermarkten en datacenters, en het verplaatsen van een verscheidenheid aan voertuigen, waaronder auto's, bussen, vrachtwagens, vorkheftrucks, treinen, en meer. Het team van Jankovic werkt aan het verkrijgen van een volledig patent op hun ontwerp en test het concept grondig. Op korte termijn zijn ze gericht op het commercialiseren van de technologie en het aantrekken van potentiële partners.

Jankovic stelt zich voor om een ​​brandstofcel te maken die ongeveer zo groot is als een AA-batterij, maar als schaalbare en modulaire technologie kan deze worden opgeschaald naar elke praktische maat. De cilindrische vorm zou het mogelijk maken dat meer brandstofcellen dezelfde hoeveelheid ruimte innemen als die nu in gebruik zijn en goedkoper te produceren zijn, zei Invernale. Jankovic beschouwt haar brandstofcelontwerp als een vervanging voor lithium-ionbatterijen.

Jankovic zei dat haar zeven jaar in de industrie voordat ze naar UConn kwam haar ervan overtuigde dat er op de markt behoefte was aan een nieuw en beter brandstofcelontwerp.

"Vanuit die ervaring wist ik dat vlakke brandstofcellen een paar problemen hadden", zegt ze. "Ik bleef rondvragen, en ik zei:'laten we het doen en uitvinden ja of nee'." + Verder verkennen

Onderzoek naar een nieuwe bio-geïnspireerde brandstofcel met protonenuitwisselingsmembraan