Naukowcy z[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>Nagoya University developed a phosphonic acid polymer with hydrophobic spacers for fuel cell electrolytes, enabling high-temperature, low-humidity operation.
A research group led by Atsushi Noro at Nagoya University in Japan has introduced a groundbreaking design for fuel cell electrolytes, featuring a phosphonic acid polymer with hydrocarbon spacers. This innovative approach enables fuel cells to function efficiently at high temperatures (above 100°C) and low humidity, overcoming significant barriers to widespread adoption. The findings were published in the journal ACS Applied Polymer Materials.
Fuel cells generate electricity by electrochemically combining hydrogen and oxygen, producing only water as a byproduct, making them a clean energy solution. However, the use of perfluorosulfonic acid polymers—classified as per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS)—in conventional fuel cells has raised concerns. These substances persist in the environment and accumulate in living organisms, leading to regulatory restrictions in many countries.
Zalety i wyzwania związane z polimerami kwasu fosfonowego
W przeciwieństwie do PFAS, polimery węglowodorowe kwasu fosfonowego nie zawierają fluoru, co zmniejsza prawdopodobieństwo ich trwałości w środowisku. Polimery te wykazują również umiarkowaną stabilność chemiczną w warunkach wysokiej temperatury i niskiej wilgotności. Pomimo tych zalet, słaba przewodność i hydrofilowy charakter grup kwasu fosfonowego, które przyciągają wodę, ograniczają ich zastosowanie, potencjalnie prowadząc do rozpuszczania w wilgotnym środowisku.
Aby przezwyciężyć te wyzwania, Noro wprowadził hydrofobowy odstępnik pomiędzy szkieletem polimeru a grupami kwasu fosfonowego polimeru węglowodorowego kwasu fosfonowego. Zapewniło to nierozpuszczalność w wodzie, stabilność chemiczną i umiarkowaną przewodność, nawet w wysokich temperaturach i niskiej wilgotności. Dodatkowo hydrofobowa przekładka skutecznie odpycha wodę, zapewniając zachowanie stabilności materiału.
Poprawiona wydajność membrany
Nowa membrana wykazała znacząco wyższą nierozpuszczalność w wodzie gorącej w porównaniu do membran polistyren membrana z kwasu fosfonowego bez hydrofobowych przekładek i dostępna w handlu membrana z usieciowanego sulfonowanego polistyrenu.
„W temperaturze 120°C i wilgotności względnej 20% przewodność opracowanej membrany osiągnęła 40 razy wyższą przewodność niż membrana z polistyrenokwasu fosfonowego i 4 razy wyższą niż membrana z usieciowanego sulfonowanego polistyrenu” – powiedział Noro.
„Znalezienie ogniwa paliwowego, które działa w warunkach niskiej wilgotności i wysokiej temperatury, oferuje wiele korzyści pojazdom napędzanym ogniwami paliwowymi” – kontynuował Noro. „Po pierwsze, reakcje na elektrodach ogniwa paliwowego przebiegają szybciej w wyższych temperaturach, co poprawia ogólną wydajność ogniwa paliwowego i poprawia wydajność wytwarzania energii. Po drugie, zmniejsza się zatrucie elektrod tlenkiem węgla (CO), ponieważ śladowe ilości CO w paliwie wodorowym mają tendencję do adsorbowania się na katalizatorze w niższych temperaturach, ale nie w wyższych temperaturach. Po trzecie, ogniwo paliwowe korzysta z bardziej wydajnego rozpraszania ciepła w wysokich temperaturach, co pozwala na prostsze konstrukcje układów chłodzenia i brak zewnętrznego nawilżania, co pozwala na lżejsze i bardziej kompaktowe systemy.
Badanie to otrzymało wsparcie od Organizacji Rozwoju Nowej Energii i Technologii Przemysłowych (NEDO). Zgodnie z planem działania NEDO dotyczącym rozwoju technologii ogniw paliwowych i technologii wodorowych proponowana koncepcja projektowa membran elektrolitowych przedstawiona w tym badaniu stanowi istotny wkład w rozwój ogniw paliwowych nowej generacji, które wspierają przejście na społeczeństwo o zerowej emisji dwutlenku węgla netto. Zgłoszenia patentowe na materiały związane z sugerowaną koncepcją projektową zostały złożone w Japonii i kilku innych krajach.
Odniesienie: „Polimerowe membrany elektrolitowe z polistyrenu z bezpośrednio związanymi grupami alkilenofosfonianowymi na łańcuchach bocznych” autorstwa Takenori Nakayama, Takato Kajita, Mio Nishimoto, Haruka Tanaka, Katsumi Sato, Mayeesha Marium, Albert Mufundirwa, Hiroyuki Iwamoto i Atsushi Noro, 10 grudnia 2024 r., Stosowane materiały polimerowe ACS.
DOI: 10.1021/acsapm.4c02688
