Топливные элементы генерируют электричество путем электрохимической реакции водорода и кислорода, в результате чего в качестве побочного продукта образуется только вода, что делает их экологически чистым источником энергии. Однако использование полимеров перфторсульфоновой кислоты, содержащих группы сульфоновой кислоты – типа пер- и полифторалкильного вещества (ПФАС) – в топливных элементах вызывает обеспокоенность.
ПФАС может накапливаться в окружающей среде и в живых организмах, что усиливает регулирующий надзор во многих странах.
Напротив, углеводородные полимеры фосфоновой кислоты не содержат фтора, что снижает вероятность их сохранения в окружающей среде. Эти полимеры также обеспечивают умеренную химическую стабильность в условиях высокой температуры и низкой влажности.
Однако их использование ограничено из-за их плохой проводимости и гидрофильной природы, то есть они притягивают воду. Это может привести к растворению во влажной среде, ограничивая их потенциал в топливных элементах.
Чтобы преодолеть эти проблемы, исследовательская группа под руководством Ацуши Норо из Университета Нагои в Японии объявила о новой концепции дизайна электролитов топливных элементов. В их исследовании используется полимер фосфоновой кислоты с углеводородными прокладками.
Новый электрохимический элемент превращает уловленный углерод в зеленое топливо
Команда улучшила углеводородный полимер фосфоновой кислоты, введя гидрофобный спейсер между основной цепью полимера и группами фосфоновой кислоты. Эта модификация сделала полимер нерастворимым в воде, химически стабильным и умеренно проводящим даже при высоких температурах и низкой влажности. Гидрофобная прокладка также помогает отталкивать воду, сохраняя стабильность материала.
Новая мембрана из полимерного электролита показала гораздо более высокую нерастворимость в воде, чем мембрана из полистирола на основе фосфоновой кислоты без гидрофобных прокладок и коммерчески доступная мембрана из сшитого сульфонированного полистирола.
Желание сказал, «В условиях 120°C и относительной влажности 20% проводимость разработанной мембраны достигала в 40 раз большей, чем у мембраны из полистирола на основе фосфоновой кислоты, и в 4 раза выше, чем у мембраны из сшитого сульфированного полистирола».
Понимание того, как топливные элементы деградируют с течением времени
Топливный элемент, работающий в условиях низкой влажности и высоких температур, предлагает ряд преимуществ, особенно для тяжелых транспортных средств на топливных элементах:
- Реакции на электродах происходят быстрее при более высоких температурах, улучшая общую производительность топливных элементов и эффективность выработки электроэнергии.
- Отравление электрода угарным газом (CO) меньше, поскольку следы CO в водородном топливе имеют тенденцию прилипать к катализатору при более низких температурах, но не при более высоких температурах.
- Высокие температуры позволяют лучше рассеивать тепло, что приводит к упрощению конструкции системы охлаждения и устранению необходимости внешнего увлажнения. Это делает систему легче и компактнее.
По данным Организации по развитию новой энергетики и промышленных технологий (NEDO), предложенная концепция дизайна знаменует собой важный вклад в разработку топливных элементов следующего поколения, которые поддерживают переход к обществу с нулевым выбросом углерода.
Ссылка на журнал:
- Такенори Накаяма Такато, Кадзита Мио Нишимото, Харука Танака, Кацуми Сато, Маиша Мариум, Альберт Муфундирва, Хироюки Ивамото, Ацуши Норо. Полистироловые полимерные электролитные мембраны с непосредственно связанными алкиленфосфонатными группами на боковых цепях. Прикладные полимерные материалы ACS. ДОИ: 10.1021/acsapm.4c02688
