Förnyade investeringar i vätebränslecellsteknik och infrastruktur av företag som Amazon; nationer som Kina; och biltillverkare som Toyota, Honda, och Hyundai, väcker försäljning och nytt intresse för de stora möjligheterna med polymer-elektrolytbränsleceller. Det nya intresset skulle kunna revolutionera transporterna och fylla gator med fordon vars enda avloppsvatten är vattenånga.

Men den där visionen om rent, miljöbilar och lastbilar hindras av behovet inte bara av massiva investeringar i infrastruktur, utan för effektivare processer i själva cellerna. Innovationer som sänker produktionskostnaderna – vilket betyder lägre pris på klistermärken – och som öppnar dörren till fler fordonssegment, inklusive prestandabilar, kan leda till större adoption.

Ett team av forskare vid NYU Tandon School of Engineering, ledd av Miguel Modestino, professor i kemi- och biomolekylär teknik, och Lawrence Berkeley National Laboratory har skapat ett nytt polymermaterial med potential att lösa båda problemen.

Forskningen, "Högpermeabla perfluorerade sulfonsyrajonomerer för förbättrade elektrokemiska enheter:insikter i struktur-egenskapsrelationer, " publicerad i Journal of the American Chemical Society , fokuserar på ett hybridmaterial som levererar rikliga mängder syre från atmosfären till cellens elektrodereaktionsplatser – som genererar mer kraft – samtidigt som det minskar mängden dyra material som platina som behövs i bränsleceller, potentiellt lösa en stor industriutmaning.

Vätebränsleceller består av en anod och en katod, med ett elektrolytmembran mellan dem. Elektricitet produceras i en process där väte reagerar i anoden och atmosfäriskt syre i katoden. På den senare platsen, protoner kombineras med syre för att producera elektricitet och vatten. Jonledande polymerer (jonomerer) används för att föra protonerna till reaktionsställena där syre från luft behöver tränga igenom dem för att driva den elektricitetsgenererande reaktionen.

Nuvarande, kommersiellt tillgängliga jonomerer är typiskt perfluorerade sulfonsyra (PFSA) polymerer som innefattar en linjär kedjeliknande ryggrad som består av polytetrafluoreten (PTFE) matris, och vidhängande sulfonsyragrupper fästa vid PTFE-ryggraden som ger jonledningsförmåga. Även om denna komplexa kombination, molekylärt liknar teflon, ger hög mekanisk hållfasthet, forskning visar att det lider av låg syrepermeabilitet, leder till betydande energiförluster bränsleceller.

Forskarna – inklusive Yoshi Okamoto, en professor i kemiteknik och chef för Polymer Research Institute vid NYU Tandon, och Ph.D. student Adlai Katzenberg, som gjorde forskningen som en del av ett U.S. Department of Energy-stipendium – löste flera problem på en gång genom att byta ut de linjära PTFE-polymerkedjorna med en skrymmande fluorerad kedja, vilket gav mer ledig volym till matrisen, avsevärt förbättra dess förmåga att transportera syre i bränsleceller.

Modestino förklarar att hybridmaterialet består av en jonledande polymer och en mycket permeabel matris. "Vi har skapat en ny sampolymer - två komponenter bundna tillsammans. En del leder joner, och den andra är mycket permeabel för syre, " säger han. "Okamoto hade arbetat på mycket permeabla polymerer för gasseparationsprocesser. När jag gick med i NYU Tandon, vi insåg att polymererna som han hade utvecklat kunde anpassas för att förbättra bränsleceller."