Ogniwa paliwowe z membraną wymiany protonów (PEMFC) to ogniwa energetyczne, które mogą przekształcać energię chemiczną wytwarzaną podczas reakcji elektrochemicznej między wodorem a tlenem w energię elektryczną. Chociaż ogniwa te mogą być bardzo obiecującymi rozwiązaniami energetycznymi, większość z nich może działać tylko w ograniczonych zakresach temperatur, takich jak 80 do 90 stopni Celsjusza lub od 140 do 180 stopni Celsjusza.
Jedno z ogniw paliwowych naukowców podczas testowania. . Źródło: Tang et al
Naukowcy z Chińskiej Akademii Nauk, Tianjin Normal University i Tianjin University zaprojektowali niedawno nowy typ PEMFC, które mogą działać w znacznie szerszym zakresie temperatur, w szczególności od -20 do 200 stopni Celsjusza. Ich artykuł, opublikowany w Nature Energy, może ułatwić powszechne stosowanie technologii PEMFC, jednocześnie zmniejszając koszty jej wytwarzania.
Głównym celem ostatnich badań przeprowadzonych przez Li i jego współpracowników było stworzenie membrany, która mogłaby wchłonąć PA. Aby jeszcze bardziej wzmocnić jego zdolność do wychwytywania PA, naukowcy wykorzystali tak zwany „efekt syfonowania kapilarnego”, efekt, dzięki któremu płyny mogą być łatwo wchłaniane.
Podczas nakładania efektu syfonowania kapilarnego na konwencjonalną membranę, ciecz może nadal nie być łatwo uwalniana. Dlatego zespół zdecydował się na wyprodukowanie membrany przy użyciu polimerów bazowych Trögera (TB), materiałów o bardzo wysokiej wewnętrznej mikroporowatości.
„Ultra-mikropory w polimerze działają jak naczynia włosowate do absorpcji i retencji PA. „Dostosowując strukturę chemiczną monomeru, można kontrolować wielkość i dystrybucję porów membrany polimerowej. Jedna membrana o wielkości porów około 3.5 Å wykazała najlepszy efekt syfonowania cząsteczek PA, a tym samym najlepszą stabilność przewodności i wydajność ogniw paliwowych w szerokim zakresie temperatur roboczych. ”
Ogniwa paliwowe zazwyczaj działają poprzez elektrochemiczne utlenianie paliw, takich jak wodór, w obecności powietrza lub tlenu, ostatecznie wytwarzając energię elektryczną i wodę. Membrana przewodząca protony zawarta w PEMFC jest pokryta substancją katalityczną z każdej strony, aby wywołać reakcje elektrochemiczne między anodą (wodorem) a katodą (tlenem) wewnątrz komórki.
Proces produkcji membran. Źródło: Tang et al
„Między innymi istnieją dwie podstawowe funkcje membrany: jedna polega na przewodzeniu protonów katalitycznie wytwarzanych na anodzie w celu przetransportowania ich do katody i połączenia ich z tlenem, ostatecznie wytwarzając wodę, podczas gdy druga polega na wypychaniu elektronów (tj. Energii elektrycznej) wytwarzanych katalitycznie w anodzie, przez obwód zewnętrzny, gdzie uzupełniają obwód i produkują wodę, ” Li powiedział. ” Można myśleć o ogniwach paliwowych jako o wysoce kontrolowanym katalitycznym spalaniu wodoru i tlenu, które nie eksploduje tak, jak w przypadku zapłonu, ale uwalnia energię elektryczną na żądanie. Elektroliza, czyli rozszczepianie wody, jest tak naprawdę odwrotnością, gdzie wprowadzasz energię elektryczną, aby podzielić wodę na wodór i tlen. ”
Korzystając z ultra-mikroporowatej membrany domieszkowanej PA, Li i jego koledzy byli w stanie wyprodukować ogniwa paliwowe, które mogą działać w bardzo szerokim zakresie temperatur. Jest to niezwykłe osiągnięcie, ponieważ wcześniej opracowane PEMFC mogą pracować tylko w ograniczonych zakresach temperatur.
„Korzystając z naszego projektu, stos ogniw paliwowych zostałby znacznie uproszczony” – powiedział Li. „Uważamy, że efekt syfonowania absorpcji PA do ultra-mikroporów jest znaczący dla rozwoju wysokowydajnych wysokotemperaturowych PEMFC, a także poprawiłby ogólny system ogniw paliwowych, umożliwiając jego działanie bez pomocniczych systemów grzewczych.”
Nowa konstrukcja membrany i komórek może wkrótce doprowadzić do opracowania bardziej wydajnych PEMFC, a jednocześnie znacznie obniżyć koszty ich wytwarzania. W kolejnych badaniach Li i jego koledzy planują zastosować efekt syfonowania kapilarnego również do warstwy katalizatora, aby poprawić jego skuteczność i zmniejszyć obciążenie katalizatora.
Ponadto skupią się na mikrodostrajaniu wielkości porów membrany oraz dystrybucji mieszania, kopolimeryzacji i sieciowania. Może to ostatecznie przyczynić się do dalszej poprawy stabilności i przewodności ogniw paliwowych.
„Chcielibyśmy również zaprojektować i przygotować systemy PBI o tej samej ultra-mikroporowatości, co membrany, których używaliśmy, co może być łatwiejsze do zastosowania w przemyśle energetycznym” – dodał Li. „Co więcej, ten sam efekt syfonowania, który wytworzyliśmy, może być również wykorzystany w warstwie katalizatora, aby utrzymać cząsteczki PA w warstwie katalizatora, a tym samym uniknąć niekorzystnego wpływu zatrucia fosforanami katalizatora Pt. Dlatego przewidujemy, że wysokie wykorzystanie katalizatora, a tym samym niskie obciążenie katalizatora zostanie osiągnięte dla wysokotemperaturowych membranowych ogniw paliwowych z membraną wymiany protonów.”
