Команда Лос-Аламосской национальной лаборатории в сотрудничестве с Юн-Ки Чоу из Национального института передовых промышленных наук и технологий Японии и Сай Фуджимото из Sandia National Laboratories обнаружила, что топливные элементы, изготовленные из ионной пары фосфат-четвертичный аммоний, могут быть работает при температуре от 80 ° C до 200 ° C с водой и без нее, что повышает удобство использования топливных элементов в различных условиях. Исследование опубликовано в журнале Nature Energy.«Топливные элементы на основе полимеров считаются ключевой технологией будущего как для автомобильных, так и для стационарных энергетических систем», — сказал Ю Сын Ким, руководитель проекта в Лос-Аламосе. «Использование топливных элементов при максимально широкой рабочей температуре с водостойкостью дает огромное преимущество.
Но современные автомобили на топливных элементах нуждаются в увлажненных входных потоках и больших радиаторах для отвода отработанного тепла, что может существенно увеличить стоимость системы топливных элементов, поэтому люди искали материалы, которые могут проводить протоны в гибких рабочих условиях. Очень интересно, что мы теперь нашли такие материалы ».Лос-Аламос является лидером в исследованиях топливных элементов с 1970-х годов.
Технологии топливных элементов могут значительно улучшить энергетическую безопасность страны, окружающую среду и экономику за счет снижения потребления нефти, выбросов парниковых газов и загрязнения воздуха. Текущая исследовательская работа поддерживает миссии лаборатории, связанные с энергетической безопасностью и материалами будущего.В настоящее время существует два основных класса топливных элементов на основе полимеров. Один из них — это класс низкотемпературных топливных элементов, которые требуют воды для протонной проводимости и не могут работать при температуре выше 100 ° C. Другой тип — это высокотемпературные топливные элементы, которые могут работать до 180 ° C без воды; однако характеристики ухудшаются в условиях водопоглощения при температуре ниже 140 ° C.
Исследовательская группа обнаружила, что ионная пара фосфат-четвертичный аммоний имеет гораздо более сильное взаимодействие, что позволяет эффективно переносить протоны даже в условиях конденсации воды.«Открытие произошло, когда мы исследовали мембраны, проводящие щелочной гидроксид, которые имеют группы четвертичного аммония», — сказал Ким. «В то время как щелочные мембраны работают только в условиях высокого pH, возникла идея, что щелочные мембраны можно использовать в условиях низкого pH путем объединения с фосфорной кислотой», — сказал Ким. «Это был захватывающий момент, когда Чоу представил данные расчетов, которые показали, что взаимодействие четвертичного аммония и бифосфата в 8,7 раз сильнее обычного кислотно-основного взаимодействия».Команда из Лос-Аламоса сотрудничала с Fujimoto в Sandia для получения полимеров, функционализированных четвертичным аммонием. Прототип топливных элементов, изготовленных из мембраны с ионно-парной координацией, продемонстрировал превосходные характеристики топливных элементов и долговечность при 80-200 ° C, что недостижимо с существующей технологией топливных элементов.
Что дальше? «Характеристики и долговечность этого нового класса топливных элементов могут быть даже дополнительно улучшены за счет использования высокоэффективных электродных материалов», — сказал Ким, сославшись на прогресс, ожидаемый в течение пяти-десяти лет, что является еще одним важным шагом на пути к замене нынешних низкотемпературных топливных элементов. используется в транспортных средствах и стационарных приложениях.