Новая экономически эффективная полимерная мембрана может снизить стоимость щелочных батарей и топливных элементов, позволив заменить дорогие платиновые катализаторы без ущерба для важных аспектов производительности, согласно исследователям Penn State.
Мы попытались сломать эту парадигму компромиссов в материалах (путем улучшения) как стабильности, так и проводимости этой мембраны одновременно, и это то, что мы смогли сделать с этой уникальной конструкцией из полимерных материалов. », - сказал Майкл Хикнер, доцент кафедры материаловедения и инженерии.
В твердотельных щелочных топливных элементах анионообменные мембраны проводят отрицательные заряды между катодом устройства и анодом - отрицательным и положительным соединениями элемента - для выработки полезной электроэнергии. Большинство топливных элементов в настоящее время используют мембраны, для которых требуются катализаторы на основе платины, эффективные, но дорогие.
Лаборатория по испытанию мембран топливных элементов
Доктор. Майкл Хикнер и его исследовательская группа проводят испытания топливных элементов с мембранными электродами в своей лаборатории Reber Building в кампусе Penn State University Park.
Новый полимер Hickner представляет собой уникальную анионообменную мембрану - новый тип топливных элементов и аккумуляторных мембран, - который позволяет использовать гораздо более экономичные катализаторы из недрагоценных металлов и не ставит под угрозу ни долговечность, ни эффективность, как предыдущий анион. обменные мембраны.
«На самом деле мы здесь предлагаем альтернативы, возможные варианты, новые технологии, чтобы люди, которые хотят коммерциализировать топливные элементы, теперь могли выбирать между старой парадигмой и новыми возможностями с анионообменными мембранами», - сказал Хикнер.
Создание этой альтернативы потребовало некоторой интуиции и удачи. В рамках работы, возглавляемой Нанвен Ли, научным сотрудником в области материаловедения и инженерии, команда Хикнера создала несколько вариантов мембраны, каждая из которых имеет немного отличающийся химический состав. Затем они проверили каждый вариант в смоделированных условиях, чтобы предсказать, какой из них будет оптимальным для реального топливного элемента. Исследователи сообщают о своих выводах в недавнем выпуске журнала Американского химического общества.
Основываясь на этих первоначальных испытаниях, группа предположила, что мембраны с длинными 16-углеродными структурами в их химическом составе обеспечат наилучшую эффективность и долговечность, что измеряется соответственно проводимостью и долговременной стабильностью.
Чао-Янг Ван, председатель кафедры машиностроения Уильяма Э. Дифендерфера, и его команда затем проверили каждую возможность в работающем устройстве на топливных элементах. Юнджун Ленг, научный сотрудник в области машиностроения и ядерной инженерии, измерил мощность и срок службы топливного элемента для каждого варианта материала.
Несмотря на прогнозы, мембраны, содержащие более короткие 6-углеродные структуры, оказались гораздо более прочными и эффективными после 60 часов непрерывной работы.
«Мы были несколько удивлены… что то, что мы считали лучшим материалом в наших лабораторных испытаниях, не обязательно было лучшим материалом в клетке, когда его оценивали с течением времени», - сказал Хикнер, добавив, что исследователи все еще пытаясь понять, почему 6-углеродный вариант имеет лучшую долгосрочную долговечность, чем 16-углеродный образец в топливном элементе, путем подробного изучения условий работы элемента.
Поскольку успешная мембрана оказалась намного более эффективной, чем предсказывали первоначальные лабораторные исследования, исследователи теперь заинтересованы в учете взаимодействий, которые мембраны испытали, находясь внутри клетки.
«У нас есть выход топливного элемента, поэтому у нас есть эффективность топливного элемента, срок службы топливного элемента, но у нас нет информации о молекулярном масштабе в топливном элементе», - сказал Хикнер.«Это следующий шаг - попытаться выяснить, как эти полимеры работают в топливном элементе на детальном уровне».