Transportbranschen är en av de största konsumenterna av energi i den amerikanska ekonomin med ökande efterfrågan på att göra den renare och effektivare. Medan fler människor använder elbilar, designa eldrivna plan, fartyg och ubåtar är mycket svårare på grund av kraft- och energibehov.

Ett team av ingenjörer vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis har utvecklat en kraftfull bränslecell som främjar teknologin inom detta område. Leds av Vijay Ramani, Roma B. och Raymond H. Wittcoff Distinguished University Professor, teamet har utvecklat en direkt borhydridbränslecell som arbetar med dubbelt så hög spänning som dagens kommersiella bränsleceller.

Detta framsteg med hjälp av ett unikt pH-gradient-aktiverat mikroskala bipolärt gränssnitt (PMBI), redovisas i Naturenergi 25 februari, kan driva en mängd olika transportsätt – inklusive obemannade undervattensfordon, drönare och så småningom elektriska flygplan — till betydligt lägre kostnad.

"Det pH-gradientaktiverade mikroskaliga bipolära gränssnittet är kärnan i denna teknik, sa Ramani, också professor i energi, miljö- och kemiteknik. "Det tillåter oss att driva den här bränslecellen med flytande reaktanter och produkter i dränkbara vatten, där neutral flytförmåga är kritisk, samtidigt som vi låter oss tillämpa det i applikationer med högre effekt som drönarflygning."

Bränslecellen som utvecklats vid Washington University använder en sur elektrolyt vid en elektrod och en alkalisk elektrolyt vid den andra elektroden. Vanligtvis, syran och alkalin kommer snabbt att reagera när de kommer i kontakt med varandra. Ramani sa att nyckelgenombrottet är PMBI, som är tunnare än ett hårstrå. Med hjälp av membranteknologi utvecklad vid McKelvey Engineering School, PMBI kan hålla syran och alkalin från att blandas, bildar en skarp pH-gradient och möjliggör framgångsrik drift av detta system.

"Tidigare försök att uppnå denna typ av syra-alkali-separation kunde inte syntetisera och helt karakterisera pH-gradienten över PMBI, " sa Shrihari Sankarasubramanian, en forskare i Ramanis team. "Att använda en ny elektroddesign i kombination med elektroanalytiska tekniker, vi kunde otvetydigt visa att syran och basen förblir separerade."

Huvudförfattare Zhongyang Wang, en doktorand i Ramanis labb, tillade:"När PBMI syntetiserats med våra nya membran visade sig fungera effektivt, vi optimerade bränslecellsenheten och identifierade de bästa driftsförhållandena för att uppnå en högpresterande bränslecell. Det har varit en oerhört utmanande och givande väg att utveckla de nya jonbytesmembranen som har möjliggjort PMBI."

"Det här är en mycket lovande teknik, och vi är nu redo att gå vidare med att skala upp det för tillämpningar i både dränkbara farkoster och drönare, sa Ramani.