Budowanie lepszego ogniwa paliwowego

Ogniwa paliwowe oparte na stałych związkach kwasowych mogą oferować wyższe napięcia, wyższe temperatury pracy, mniejszą złożoność systemu i więcej opcji paliwowych niż obecne ogniwa paliwowe. W tym tygodniu donoszą więc naukowcy z Kalifornijskiego Instytutu Technologii Natura .

Ogniwa paliwowe przekształcają energię chemiczną bezpośrednio w energię elektryczną, co jest procesem bardziej wydajnym niż spalanie ( zobacz „Napełnij wodorem” ). Najbardziej obiecujące ogniwa paliwowe wykorzystują membrany wykonane z elektrolitów polimerowych. Działają poprzez przepuszczanie paliwa, takiego jak wodór, przez membranę, która jest przepuszczalna tylko dla protonów. Elektron wodoru musi okrążyć membranę, wytwarzając prąd elektryczny. Po drugiej stronie membrany wodór wiąże się z tlenem atmosferycznym, więc jedynym produktem ubocznym jest woda.

Ale polimerowe membrany elektrolityczne mają jedną poważną wadę: potrzebują wilgoci do działania. Ogranicza to warunki pracy poniżej temperatury wrzenia wody, co jest głównym ograniczeniem miejsca i sposobu wykorzystania ogniw paliwowych.

Aby mógł działać, polimer musi być mokry, mówi Sossina Haile, adiunkt nauk o materiałach w Caltech i główny autor Natura papier. Oznacza to, że istnieje wiele problemów związanych z gospodarką wodną i zarządzaniem temperaturą. Trzeba go trzymać w chłodnym, ale nie za zimnym, mokrym, ale nie za mokrym. (Zbyt dużo pary wodnej, która kondensuje się na powierzchni membrany i blokuje gaz). Wszystko to zwiększa złożoność, a zatem i koszt ogniw paliwowych, mówi.

Bez wody, bez problemu

	Grupa badawcza profesora Haile (od lewej do prawej): Calum Chisholm, Ryan Merle, Dane Boysen i Sossina Haile.

W przeciwieństwie do polimerowych membran elektrolitycznych, membrany Haile ze stałym kwasem są bezwodne, co oznacza, że ​​działają niezależnie od obecności wody. w Natura Haile odnotował pozytywne wyniki w temperaturach do 160°C dla membran wykonanych z wodorosiarczanu cezu – stałego kwasu, mniej więcej tak taniego jak sól kuchenna, mówi Haile.

Elektrolit przewodzący protony wolny od wody to cudowna rzecz, którą mieć, mówi Sekharipuram Narayanan, badacz ogniw paliwowych w Laboratorium Napędu Odrzutowego National Aeronautics and Space Administration, który współpracował w przeszłości z Haile.

Badania Narayana skupiają się na zasilaniu ogniw paliwowych metanolem – obszarem, który może uzyskać duży impuls dzięki membranom ze stałego kwasu. Tak zwane bezpośrednie ogniwa paliwowe na metanol wykorzystują jako paliwo metanol zamiast wodoru. Ale membrany na bazie polimerów umożliwiają również przechodzenie pewnej ilości metanolu bez wytwarzania energii, co nazywa się krzyżowaniem metanolu. Chociaż nie zostało to wykazane, Haile teoretyzuje, że stałe kwasy mogą zmniejszać przenikanie metanolu.

Siarka, duży problem?

Jeśli jednak ogniwa paliwowe na kwas stały mają kiedykolwiek stać się realnym źródłem energii, trzeba pokonać poważne przeszkody. Prototyp Haile'a generował tylko 50 miliamperów prądu na centymetr kwadratowy membrany, w porównaniu do 1 ampera na centymetr kwadratowy generowanego przez polimerowe membrany elektrolityczne.

Tam jest bardzo długa droga do przebycia jej podejścia, zanim stanie się bliskie użyteczności, mówi Tom Zawodziński, badacz ogniw paliwowych w Los Alamos National Laboratory, w e-mailu do technologyreview.com.

Kolejny problem: stałe elektrolity, takie jak Haile, nie działają w temperaturze pokojowej i muszą zostać podgrzane, zanim zaczną generować energię. To nic wielkiego, mówi Narayanan, kiedy napędzasz samochód, ale to sprawia, że ​​małe aplikacje, takie jak telefony komórkowe, są prawie niemożliwe.

Być może największą przeszkodą jest to, że membrana Haile'a zawiera siarkę, która reaguje z paliwem wodorowym, stopniowo zmniejszając wydajność ogniwa paliwowego. Problem polega na tym, że ogniwo paliwowe — elektrolit — znajduje się w ekstremalnym środowisku — mówi Haile. Membrana zawiera siarkę, która będzie reagować z wodorem. Produkt reakcji, siarkowodór, zakłóca reakcję chemiczną, która generuje elektryczność.

Aby obejść ten problem, grupa badawcza Haile'a poszukuje stałych kwasów, które nie zawierają siarki. To coś, co można rozwiązać dzisiaj lub nigdy nie, mówi.

ukryć