Forskargruppen för INRS -professor Mohamed Mohamedi har utformat en grön membranlös bränslecell som använder syre från luften. Resultaten av denna innovativa mikrofluidapplikation – en första i Kanada – publicerades i Recensioner av förnybar och hållbar energi.

Konventionella bränsleceller finns överallt. De driver elbilar och drev datorerna som användes vid Apollo-månlandningen 1969. Dessa bränsleceller tappar spänning när de används och slutar så småningom att fungera. Detta händer eftersom alkoholmolekyler (metanol eller etanol) i bränslecellens anodfack passerar över membranet som skiljer dem från katodfacket. Syremolekyler i katodrummet reagerar med alkoholen, orsakar ett spänningsfall.

Forskare har utan framgång försökt utveckla ett membran som hindrar alkoholmolekyler från att passera genom det. Professor Mohamed Mohamedi, en huvudförfattare till studien publicerad den 8 september, tog en annan tackning:att utveckla en bränslecell utan ett membran.

Hans nya lösning kostar mindre och kräver färre steg att tillverka, men den klarar inte av en viktig utmaning. "När membranet tas bort, metanolen eller etanolen reagerar med syret, precis som i konventionella bränsleceller. För att förhindra spänningsfall, vi var tvungna att utveckla selektiva elektroder i katodfacket. Dessa elektroder, designad av doktoranden Juan Carlos Abrego-Martinez, förbli inaktiv i närvaro av alkoholmolekyler, men är känsliga för syre som genererar elektricitet, "Professor Mohamedi förklarar. Han noterar en annan unik egenskap hos denna membranlösa bränslecell:den använder syre från luften runt den.

Från modell till prototyp

Det första steget som forskarna tog för att bygga en fungerande prototyp var att köra numeriska simuleringar skapade av Alonso Moreno Zuria, INRS postdoktor och en huvudförfattare till studien. Genom datormodellering, teamet testade olika konfigurationer av selektiva elektroder i bränslecellen. "Konventionella bränsleceller är som smörgåsar med membranet i mitten. Vi valde istället att arbeta med en enskiktsdesign. Vi var tvungna att bestämma hur vi skulle ordna och placera elektroderna för att maximera bränsleförbrukningen samtidigt som vi höll luftens syrekoncentration i åtanke, säger professor Mohamedi.

När forskarna väl bestämt sig för en konfiguration, de testade en prototyp som blev ett bevis på konceptet. Den membranlösa bränslecellen drev en lysdiod i fyra timmar med endast 234 mikroliter metanol. Forskarna vill optimera bränslecellen så att den kan använda etanol, ett grönare bränsle som kan produceras från biomassa och jordbruksavfall. Etanol ger också mer kraft per ekvivalent volymenhet.

Teamet förväntar sig att bränslecellen ska driva bärbar elektronik som mobiltelefoner och mikrosystem som luftföroreningssensorer. Till skillnad från konventionella batterier som lagrar el och måste laddas, bränsleceller fortsätter att producera energi så länge som bränsle finns tillgängligt. "Denna energiförsörjningsmetod är särskilt effektiv när laddning inte är möjlig. Föreställ dig att vara mitt i öknen, utan el. Du kan ladda din mobiltelefon med en liten kapsel etanol som du ansluter till enheten, säger professor Mohamedi.

Denna banbrytande teknik har redan väckt branschens uppmärksamhet trots att forskargruppen bara är på prototypstadiet.