Een betere brandstofcel bouwen

Brandstofcellen op basis van vaste zuurverbindingen kunnen hogere spanningen, hogere bedrijfstemperaturen, minder systeemcomplexiteit en meer brandstofopties bieden dan de huidige brandstofcellen. Dus rapporteren onderzoekers van het California Institute of Technology in deze week Natuur .

Brandstofcellen zetten chemische energie direct om in elektrische energie, een efficiënter proces dan verbranding ( zie Opvullen met waterstof ). De meest veelbelovende brandstofcellen gebruiken membranen gemaakt van polymeerelektrolyten. Ze werken door een brandstof, zoals waterstof, door het membraan te leiden, dat alleen doorlaatbaar is voor protonen. Het elektron van de waterstof moet rond het membraan gaan en de elektrische stroom opwekken. Aan de andere kant van het membraan bindt de waterstof met zuurstof uit de lucht, dus het enige bijproduct is water.

Maar polymere elektrolytmembranen hebben één groot nadeel: ze hebben vocht nodig om te werken. Dat beperkt de bedrijfsomstandigheden tot onder het kookpunt van water - een belangrijke beperking voor waar en hoe brandstofcellen kunnen worden gebruikt.

Om het te laten presteren, moet het polymeer nat zijn, zegt Sossina Haile, assistent-professor materiaalkunde bij Caltech en hoofdauteur van de Natuur papier. Dit betekent dat er veel problemen zijn met waterbeheer en temperatuurbeheer. Je moet het koel houden maar niet te koel, nat maar niet te nat. (Te veel waterdamp condenseert op het membraanoppervlak en blokkeert het gas.) Dit alles verhoogt de complexiteit - en dus de kosten - van brandstofcellen, zegt ze.

Geen water, geen probleem

	De onderzoeksgroep van professor Haile (van links naar rechts): Calum Chisholm, Ryan Merle, Dane Boysen en Sossina Haile.

In tegenstelling tot polymere elektrolytmembranen, zijn de vaste zuurmembranen van Haile watervrij, wat betekent dat ze werken ongeacht of er water aanwezig is. In Natuur , Haile rapporteerde positieve resultaten bij temperaturen tot 160 ° Celsius voor membranen gemaakt van cesiumwaterstofsulfaat - een vast zuur dat ongeveer net zo goedkoop is als keukenzout, zegt Haile.

Een protongeleidend elektrolyt zonder water is geweldig om te hebben, zegt Sekharipuram Narayanan, een brandstofcelonderzoeker bij het Jet Propulsion Laboratory van de National Aeronautics and Space Administration die in het verleden met Haile heeft gewerkt.

Het onderzoek van Narayanan is gericht op het aandrijven van brandstofcellen met methanol - een gebied dat een grote boost zou kunnen krijgen van vaste zuurmembranen. Zogenaamde directe methanol brandstofcellen gebruiken methanol in plaats van waterstof als brandstof. Maar op polymeren gebaseerde membranen laten ook wat methanol door zonder stroom te genereren, een probleem dat methanol-crossover wordt genoemd. Hoewel het niet is aangetoond, theoretiseert Haile dat vaste zuren de overschakeling van methanol kunnen verminderen.

Zwavel, groot probleem?

Er moeten echter grote hindernissen worden genomen, willen vast-zuurbrandstofcellen ooit een levensvatbare energiebron worden. Het prototype van Haile genereerde slechts 50 milliampère stroom per vierkante centimeter membraan, vergeleken met de 1 ampère per vierkante centimeter die wordt gegenereerd door polymere elektrolytmembranen.

Er is een heel Er is nog een lange weg te gaan met haar aanpak voordat het praktisch bruikbaar wordt, zegt Tom Zawodzinski, een brandstofcelonderzoeker bij Los Alamos National Laboratory, in een e-mail aan technologyreview.com.

Nog een probleem: vaste elektrolyten, zoals die van Haile, werken niet bij kamertemperatuur en moeten worden verwarmd voordat ze stroom gaan opwekken. Dat is niet erg, zegt Narayanan, als je een auto aandrijft, maar het maakt kleine toepassingen, zoals mobiele telefoons, bijna onmogelijk.

Misschien wel het grootste obstakel is dat het membraan van Haile zwavel bevat, dat reageert met de waterstofbrandstof om de prestaties van de brandstofcel geleidelijk te verminderen. Het probleem is dat de brandstofcel, de elektrolyt, in een extreme omgeving verkeert, zegt Haile. Het membraan bevat zwavel dat zal reageren met de waterstof. Het product van de reactie, waterstofsulfide, interfereert met de chemische reactie die elektriciteit genereert.

Om het probleem te omzeilen, zoekt de onderzoeksgroep van Haile naar vaste zuren die geen zwavel bevatten. Het is iets dat vandaag kan worden opgelost, of het kan nooit worden opgelost, zegt ze.

zich verstoppen