Tianjin University
Gorivne celice z izmenjevalno membrano za protone (angl. proton exchange membrane fuel cells, PEMFC) so energijske celice, ki lahko pretvorijo kemično energijo, proizvedeno med elektrokemično reakcijo med vodikom in kisikom, v električno energijo.
Čeprav bi bile gorivne celice lahko zelo obetavne energetske rešitve, jih večina lahko deluje le pri omejenih temperaturnih območjih, kot je 80 do 90 stopinj Celzija.
Raziskovalci Kitajske akademije znanosti, Tianjin Normal University in Tianjin University so pred kratkim zasnovali novo vrsto PEMFC-jev, ki lahko delujejo v veliko širšem razponu temperatur, natančneje od -20 do 200 stopinj Celzija. Njihov dokument, objavljen v Nature Energy, bi lahko olajšal široko uporabo PEMFC tehnologije, hkrati pa zmanjšal stroške izdelave.
“Ko razmišljamo o uhajanju fosforne kisline (PA) iz polibenzimidazolne (PBI) membrane, verjamemo, da bi ena molekula benzimidazola absorbirala eno molekulo PA, v skladu s konceptom kislinsko-baznih interakcij,” je povedal Nanwen Li, eden avtorjev prispevka. “Vse druge molekule PA v membrani PBI pa se večinoma zadržijo z vodikovimi vezmi. To je kot veriga za psa, ki psa zadrži, tako da drugi psi temu psu sledijo le po sorodstvu. lahko ustvarijo krdelo, vsi psi v tem krdelu ne bi mogli zlahka priti ven, če so vhodna vrata zaprta.”
Primarni cilj nedavne študije, ki so jo izvedli Li in njegovi sodelavci, je bil ustvariti membrano, ki bi lahko absorbirala PA. Da bi dodatno okrepili svojo sposobnost zajemanja PA, so raziskovalci izkoristili tako imenovani “učinek kapilarnega sifoniranja”, učinek, s katerim se tekočine zlahka absorbirajo.
Pri uporabi učinka kapilarnega sifoniranja na običajno membrano se tekočina še vedno ne bo zlahka sprostila. Zato se je ekipa odločila izdelati membrano z uporabo Trögerjevih osnovnih (TB) polimerov, materialov z ultra visoko notranjo mikroporoznostjo.
“Ultra-mikropore v polimeru TB delujejo kot kapilare za absorpcijo in zadrževanje PA, kot v metafori o pasjem krdelu,” je pojasnil Li. “S prilagoditvijo kemične strukture monomera je bilo mogoče nadzorovati velikost in porazdelitev por polimerne membrane. Ena membrana z velikostjo por približno 3,5 Å je pokazala najboljši učinek sifoniranja molekul PA in s tem najboljšo stabilnost prevodnosti in zmogljivost gorivnih celic v širokem razponu delovnih temperatur.”
Gorivne celice običajno delujejo tako, da elektrokemično oksidirajo goriva, kot je vodik, v prisotnosti zraka ali kisika, na koncu pa proizvajajo električno energijo in vodo. Protonska prevodna membrana, ki jo vsebujejo PEMFC, je na vsaki strani prevlečena s katalitično snovjo, da sproži elektrokemične reakcije med anodo (vodik) in katodo (kisik) znotraj celice.
“Med drugim obstajata dve glavni funkciji membrane: ena je, da vodi protone, ki so katalitično proizvedeni na anodi, da jih transportira do katode in jih združi s kisikom, pri čemer na koncu nastane voda. Druga pa je prisiliti elektrone (tj. električno energijo), ki se katalitično proizvaja na anodi, skozi zunanji krog, kjer zaključijo vezje in proizvajajo vodo,” je dejal Li. “Na gorivne celice lahko pomislimo kot na zelo nadzorovano katalitsko zgorevanje vodika in kisika, ki ne eksplodira, kot bi, če bi se vžgal, ampak sprošča električno energijo na zahtevo. Elektroliza ali cepitev vode je v resnici ravno obratno, kjer vnesete električno energijo za cepitev vode na vodik in kisik.”
Z uporabo ultramikroporozne membrane, dopirane s PA, so Li in njegovi sodelavci lahko izdelali gorivne celice, ki lahko delujejo pri zelo širokem razponu temperatur. To je izjemen dosežek, saj lahko predhodno razviti PEMFC delujejo le pri omejenih temperaturnih območjih.
“Z uporabo naše zasnove bi bil sklad gorivnih celic bistveno poenostavljen,” je dejal Li. “Verjamemo, da je učinek sifoniranja za absorpcijo PA v ultra-mikropore pomemben za razvoj visoko zmogljivih visokotemperaturnih PEMFC in bi izboljšal tudi celoten sistem gorivnih celic, kar bi omogočilo delovanje brez pomožnih sistemov za ogrevanje.”
Nova zasnova membrane in celic bi lahko kmalu privedla do razvoja bolj zmogljivih PEMFC, hkrati pa bi znatno zmanjšala stroške njihove izdelave. V svojih naslednjih študijah Li in njegovi sodelavci nameravajo uporabiti učinek kapilarnega sifoniranja tudi na sloj katalizatorja, da bi izboljšali njegovo učinkovitost in zmanjšali obremenitev katalizatorja.
Poleg tega se bodo osredotočili na mikro-uravnavanje velikosti por membrane in porazdelitev mešanja, kopolimerizacije in zamreževanja. To bi lahko na koncu pripomoglo k nadaljnjemu izboljšanju stabilnosti in prevodnosti gorivnih celic.
Povzeto po:
http://www.tju.edu.cn/english/News/Research_News/27.htm
