Топливные элементы генерируют электричество путем электрохимической реакции водорода и кислорода, производя в качестве побочного продукта только воду, что делает их экологически чистым источником энергии. Однако использование в топливных элементах полимеров перфторсульфоновой кислоты, содержащих группы сульфоновой кислоты, — типа пер- и полифторалкильных веществ (PFAS) — вызывает обеспокоенность.
ПФАС могут накапливаться в окружающей среде и живых организмах, что усиливает контроль со стороны регулирующих органов во многих странах.
Напротив, углеводородные полимеры фосфоновой кислоты не содержат фтора, что снижает вероятность их сохранения в окружающей среде. Эти полимеры также обладают умеренной химической стабильностью в условиях высокой температуры и низкой влажности.
Однако их использование ограничено плохой проводимостью и гидрофильной природой, то есть они притягивают воду. Это может привести к растворению во влажной среде, ограничивая их потенциал в топливных элементах.
Чтобы преодолеть эти проблемы, исследовательская группа под руководством Ацуши Норо из Нагойского университета в Японии объявила о новой концепции дизайна электролитов топливных элементов. В их исследовании используется полимер фосфоновой кислоты с углеводородными прокладками.
Новый электрохимический элемент превращает уловленный углерод в зеленое топливо
Команда улучшила углеводородный полимер фосфоновой кислоты, введя гидрофобный спейсер между основной цепью полимера и группами фосфоновой кислоты. Эта модификация сделала полимер водонерастворимым, химически стабильным и умеренно проводящим даже при высоких температурах и низкой влажности. Гидрофобная прокладка также помогает отталкивать воду, сохраняя стабильность материала.
Новая мембрана из полимерного электролита показала гораздо более высокую нерастворимость в горячей воде, чем мембрана из полистирола и фосфоновой кислоты без гидрофобных прокладок и коммерчески доступная мембрана из сшитого сульфированного полистирола.
Желание сказал, «В условиях 120°C и относительной влажности 20% проводимость разработанной мембраны в 40 раз выше, чем у мембраны из полистирола и фосфоновой кислоты, и в 4 раза выше, чем у мембраны из сшитого сульфонированного полистирола».
Понимание того, как топливные элементы деградируют с течением времени
Топливный элемент, работающий в условиях низкой влажности и высокой температуры, предлагает ряд преимуществ, особенно для тяжелых транспортных средств на топливных элементах:
- Реакции на электродах происходят быстрее при более высоких температурах, улучшая общую производительность топливного элемента и эффективность выработки электроэнергии.
- Отравление электродов угарным газом (CO) меньше, поскольку следовые количества CO в водородном топливе имеют тенденцию прилипать к катализатору при более низких температурах, но не при более высоких температурах.
- Высокие температуры позволяют лучше рассеивать тепло, что приводит к упрощению конструкции системы охлаждения и исключает необходимость внешнего увлажнения. Это делает систему легче и компактнее.
По данным Организации по развитию новой энергетики и промышленных технологий (NEDO), предложенная концепция дизайна знаменует собой важный вклад в разработку топливных элементов следующего поколения, которые поддерживают переход к обществу с нулевым выбросом углерода.
Ссылка на журнал:
- Такенори НакаямаТакато, КадзитаМио Нишимото, Харука Танака, Кацуми Сато, Маиша Мариум, Альберт Муфундирва, Хироюки Ивамото, Ацуши Норо. Полимерные электролитные мембраны из полистирола с непосредственно связанными алкиленфосфонатными группами на боковых цепях. Прикладные полимерные материалы ACS. ДОИ: 10.1021/acsapm.4c02688
