Ett team av ingenjörer vid University of Delaware har utvecklat en teknik som kan göra bränsleceller billigare och mer hållbara, ett genombrott som skulle kunna påskynda kommersialiseringen av bränslecellsfordon.

De beskriver sina resultat i en tidning publicerad i Naturkommunikation på måndag, 4 sept.

Vätgasdrivna bränsleceller är ett grönt alternativ till förbränningsmotorer eftersom de producerar kraft genom elektrokemiska reaktioner, lämnar inga föroreningar efter sig.

Material som kallas katalysatorer stimulerar dessa elektrokemiska reaktioner. Platina är den vanligaste katalysatorn i den typ av bränsleceller som används i fordon.

Dock, platina är dyrt – som alla som har handlat smycken vet. Metallen kostar runt $30, 000 per kilogram.

Istället, UD-teamet gjorde en katalysator av volframkarbid, vilket kostar cirka 150 dollar per kilogram. De producerade nanopartiklar av volframkarbid på ett nytt sätt, mycket mindre och mer skalbar än tidigare metoder.

"Materialet tillverkas vanligtvis vid mycket höga temperaturer, ca 1, 500 Celsius, och vid dessa temperaturer, den växer sig stor och har liten yta för kemi att äga rum på, sa Dionisios Vlachos, direktör för UD:s Catalysis Center for Energy Innovation... "Vårt tillvägagångssätt är ett av de första att göra nanoskala material med stor yta som kan vara kommersiellt relevant för katalys."

Forskarna tillverkade nanopartiklar av volframkarbid med hjälp av en rad steg inklusive hydrotermisk behandling, separation, minskning, uppkolning och mer.

"Vi kan isolera de enskilda nanopartiklarna av volframkarbid under processen och göra en mycket enhetlig fördelning av partikelstorleken, sa Weiqing Zheng, en forskarassistent vid Catalysis Center for Energy Innovation.

Nästa, forskarna införlivade nanopartiklarna av volframkarbid i membranet i en bränslecell. Bilbränsleceller, kända som protonutbytesmembranbränsleceller (PEMFCs), innehåller ett polymert membran. Detta membran separerar katoden från anoden, som delar väte (H2) till joner (protoner) och levererar dem till katoden, som sätter ut ström.

Det plastliknande membranet slits med tiden, speciellt om den genomgår för många våta/torrcykler, vilket lätt kan hända då vatten och värme produceras under de elektrokemiska reaktionerna i bränsleceller.

När volframkarbid införlivas i bränslecellsmembranet, det fuktar membranet på en nivå som optimerar prestandan.

"Volframkarbidkatalysatorn förbättrar vattenhanteringen av bränsleceller och minskar bördan av befuktningssystemet, sa Liang Wang, en biträdande forskare vid institutionen för maskinteknik.

Teamet fann också att volframkarbid fångar upp skadliga fria radikaler innan de kan bryta ned bränslecellsmembranet. Som ett resultat, membran med nanopartiklar av volframkarbid håller längre än traditionella.

"Den lågkostnadskatalysator vi har utvecklat kan införlivas i membranet för att förbättra prestanda och effekttäthet, " sa . "Som ett resultat, den fysiska storleken på bränslecellstapeln kan reduceras för samma effekt, gör det lättare och billigare. Vidare, vår katalysator kan leverera högre prestanda utan att offra hållbarhet, vilket är en stor förbättring jämfört med liknande ansträngningar från andra grupper."

UD-forskargruppen använde innovativa metoder för att testa hållbarheten hos en bränslecell gjord med volframkarbid. De använde ett svepelektronmikroskop och fokuserad jonstråle för att få tunna skivor av membranet, som de analyserade med mjukvara, återuppbyggnad av membranens tredimensionella struktur för att bestämma bränslecellens livslängd.

Gruppen har ansökt om patent och hoppas kunna kommersialisera sin teknologi.

"Detta är ett mycket bra exempel på hur olika grupper på olika avdelningar kan samarbeta, " sa Zheng.