En av de mest lovande teknikerna för ren energi har precis blivit ännu bättre. Forskare från University of Delaware har utvecklat den mest kraftfulla, hållbara bränslecellskomponenter i hydroxidutbytesmembranet, som de nyligen beskrev i journalen Naturenergi . Nyckelingrediensen? Membran tillverkade av poly(arylpiperidinium)polymerer.

Bränsleceller fungerar genom att omvandla kemisk energi till elektricitet, och de är en lovande kraftkälla för miljövänliga fordon. Ett fåtal bränslecellsfordon finns redan på marknaden, inklusive Toyota Mirai, Honda Clarity och Hyundai Nexo, och fler bränslecellsbilar är under utveckling över hela världen. Bränslecellerna i bilar kräver användning av ett dyrt katalysatormaterial, vanligtvis platina, för att påskynda de kemiska reaktionerna inuti. Dessa kallas protonmembranutbytesbränsleceller, och de innehåller membran gjorda av ett fluorerat polymermaterial.

I nästan två decennier, Yushan Yan, Erkänd ingenjörsprofessor i kemi- och biomolekylär teknik, har arbetat med att utveckla bränsleceller som inte kräver platinakatalysatorer och istället använder billigare metaller, som silver eller nickel. Dessa bränsleceller innehåller hydroxidutbytesmembran, som förändrar miljön inom bränsleceller från sura – den nuvarande standarden – till alkaliska. Bränslecellens membran är det som bestämmer pH inuti.

"Vi kan göra komponenter mycket billigare genom att byta från protonutbytesmembranbränsleceller till hydroxidutbytesmembranbränsleceller, " sa Yan. För att göra dessa membran, Yan har varit på en strävan efter att utveckla optimal, skalbara material. För detta projekt, Yan anlitade expertis från en annan elektrokemiexpert vid UD — Bingjun Xu, biträdande professor i kemi- och biomolekylär teknik.

Hydroxidbytarpolymerer består av en lång kedja, eller ryggrad, och en sidokedja med en positivt laddad jon, eller katjon. I Yans tidigare arbete, sidokedjorna som användes i hydroxidutbytesmembran innehöll mycket stora positiva katjoner, vilket gjorde dem stabila men hindrade deras ledningsförmåga. ryggradsmaterialet, å andra sidan, var billigt, men inte tillräckligt stabilt.

"Frågan var:hur skapar man en ny polymer som är stabil både för den organiska katjonen och ryggraden på samma gång, med en liten katjon?" sa Yan.

Använda poly(arylpiperidinium)-polymerer, teamet utvecklade hydroxidutbytesmembran och jonomerer med gynnsamma egenskaper, inklusive god jonledningsförmåga, kemisk stabilitet, mekanisk robusthet, gasseparation och selektiv löslighet. När teamet testade dessa material i ett system med endast en mycket liten mängd platina, bränslecellerna matade med luft hade en toppeffekttäthet på 920 milliwatt per kvadratcentimeter och arbetade på ett stabilt sätt med en strömtäthet på 500 milliampere per kvadratcentimeter under 300 timmar i luft vid 95 grader Celsius.

Det här är den bästa kraft- och stabilitetsstatistiken hittills för ett hydroxidutbytesmembran vid över 90 grader Celsius och det närmaste någon har kommit de 5 000 drifttimmar som skulle krävas för att använda denna teknik i en bil.

Teamet utvecklade en familj av polymerer, gör denna teknik mångsidig. "Det finns många rattar vi kan vrida på för att leverera olika egenskaper, " sa Yan. "Detta är en plattformsteknik."

Tidningens första författare är forskningsassistent Junhua Wang, som har arbetat med detta projekt sedan 2011. "För att denna upptäckt ska göras, han var tvungen att ha mycket tålamod, " sa Yan. "Han är en underbar vetenskapsman, mycket kreativ och flitig."