Ett samarbetande forskarteam, inklusive Los Alamos National Laboratory, Universitetet i Stuttgart (Tyskland), University of New Mexico, och Sandia National Laboratories, har utvecklat en protonledare för bränsleceller baserad på polystyrenfosfonsyror som bibehåller hög protonledningsförmåga upp till 200 grader C utan vatten. De beskriver materialets framsteg i en tidning som publicerades denna vecka i Naturmaterial .

Väte framställt av förnybara, kärn, eller fossila bränslen med kolavskiljning, utnyttjande, och lagring kan bidra till att koldioxidutlösa industrier och ge miljö, energitålighet och flexibilitet inom flera sektorer i ekonomin. Mot det, bränsleceller är en lovande teknik som omvandlar väte till elektricitet genom en elektrokemisk process, avger endast vatten.

"Medan kommersialiseringen av högeffektiva elfordon med bränsleceller har börjat framgångsrikt, sa Yu Seung Kim, projektledare på Los Alamos, "ytterligare tekniska innovationer behövs för nästa generations bränslecellsplattform som utvecklas mot applikationer för tunga fordon. En av de tekniska utmaningarna med nuvarande bränsleceller är värmeavstötningen från bränslecellers exoterma elektrokemiska reaktioner.

"Vi hade kämpat för att förbättra prestandan hos högtemperaturmembranbränsleceller efter att vi hade utvecklat ett jonparkoordinerat membran 2016, "sa Kim." Jonparpolymererna är bra för membrananvändning, men det höga innehållet av fosforsyradopmedel orsakade elektrodförgiftning och syraöversvämning när vi använde polymeren som elektrodbindemedel."

I nuvarande bränsleceller, värmeavvisningskravet tillgodoses genom att driva bränslecellen med hög cellspänning. För att uppnå en effektiv bränslecellsdriven motor, drifttemperaturen för bränslecellsstaplar måste öka åtminstone till motorns kylvätsketemperatur (100 grader C).

"Vi trodde att fosfonerade polymerer skulle vara ett bra alternativ, men tidigare material kunde inte implementeras på grund av oönskad anhydridbildning vid bränslecellsdriftstemperaturer. Så vi har fokuserat på att framställa fosfonerade polymerer som inte genomgår anhydridbildningen. Kerres team vid universitetet i Stuttgart kunde förbereda sådana material genom att införa fluordel i polymeren. Det är spännande att vi nu har både membran och jonomert bindemedel för högtemperaturbränsleceller, sa Kim.

Tio år sedan, Atanasov och Kerres utvecklade en ny syntes för en fosfonerad poly(pentafluorstyren) som bestod av stegen (i) polymerisation av pentafluorstyren via radikalemulsionspolymerisation och (ii) fosfonering av denna polymer genom en nukleofil fosfoneringsreaktion. Förvånande, denna polymer visade en god protonledningsförmåga som var högre än Nafion i temperaturområdet> 100 grader C, och en oväntad utmärkt kemisk och termisk stabilitet av> 300 grader C.

Atanasov och Kerres delade sin utveckling med Kim på Los Alamos, vars team i sin tur utvecklade högtemperaturbränsleceller att använda med de fosfonerade polymererna. Med integrationen av membranelektrodmontering med LANL:s jonparkoordinerade membran (Lee et al. Nature Energy, 1, 16120, 2016), bränslecellerna som använder den fosfonerade polymeren uppvisade en utmärkt effekttäthet (1,13 W cm-2 under H ₂ /O ₂ förhållanden med> 500 h stabilitet vid 160 grader C).

Vad kommer härnäst? "Räcker över 1 W cm ^-2 effekttäthet är en kritisk milstolpe som talar om för oss att denna teknik framgångsrikt kan gå till kommersialisering", sa Kim. För närvarande, Tekniken driver kommersialisering genom Department of Energys ARPA-E och Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office inom Energy Efficiency and Renewable Energy Office (EERE).