«Мы попытались разрушить эту парадигму компромиссов в материалах (путем улучшения) как стабильности, так и проводимости этой мембраны в одно и то же время, и именно это мы смогли сделать с этой уникальной конструкцией полимерных материалов», — сказал Майкл Хикнер. , доцент кафедры материаловедения и инженерии.
В твердотельных щелочных топливных элементах анионообменные мембраны проводят отрицательные заряды между катодом и анодом устройства — отрицательные и положительные соединения элемента — для создания полезной электроэнергии. В большинстве топливных элементов в настоящее время используются мембраны, для которых требуются катализаторы на основе платины, которые являются эффективными, но дорогими.
Лаборатория тестирования мембран топливных элементов
Доктор. Майкл Хикнер и его исследовательская группа проводят испытания топливных элементов в сборе с мембранными электродами в своей лаборатории Ребер Билдинг в кампусе Университета Пенсильвании.
Новый полимер Хикнера представляет собой уникальную анионообменную мембрану — мембрану нового типа для топливных элементов и батарей — которая позволяет использовать гораздо более экономичные катализаторы из неблагородных металлов и не снижает долговечность или эффективность, как предыдущие анионообменные мембраны.
«На самом деле мы здесь предоставляем альтернативы, возможные варианты выбора, новые технологии, чтобы люди, которые хотят коммерциализировать топливные элементы, теперь могли выбирать между старой парадигмой и новыми возможностями с анионообменными мембранами», — сказал Хикнер.
Создание этой альтернативы потребовало некоторой интуиции и удачи. В ходе работы, возглавляемой Нанвен Ли, докторантом в области материаловедения и инженерии, команда Хикнера создала несколько вариантов мембраны, каждая с немного отличающимся химическим составом. Затем они запускали каждый вариант в смоделированных условиях, чтобы предсказать, какие из них будут оптимальными в реальном топливном элементе.
Исследователи сообщают о своих выводах в недавнем выпуске журнала Американского химического общества.
Основываясь на этих первоначальных испытаниях, группа предсказала, что мембраны с длинной структурой из 16 атомов углерода в их химическом составе обеспечат наилучшую эффективность и долговечность, что измеряется соответственно проводимостью и долговременной стабильностью.
Чао-Ян Ван, Уильям Э. Заведующий кафедрой машиностроения Дифендерфер и его команда затем протестировали каждую возможность в работающем устройстве топливных элементов. Юнджун Ленг, научный сотрудник в области машиностроения и ядерной инженерии, измерил мощность и срок службы топливного элемента для каждого варианта материала.
Несмотря на прогнозы, мембраны, содержащие более короткие 6-углеродные структуры, оказались намного более прочными и эффективными после 60 часов непрерывной работы.
"Мы были несколько удивленычто то, что мы считали лучшим материалом в наших лабораторных испытаниях, не обязательно было лучшим материалом в ячейке, когда его оценивали с течением времени », — сказал Хикнер, добавив, что исследователи все еще пытаются понять, почему вариант с 6 атомами углерода лучше долговечность по сравнению с образцом из 16 атомов углерода в топливном элементе благодаря подробному изучению условий эксплуатации элемента.
Поскольку успешная мембрана оказалась намного более эффективной, чем предсказывали первоначальные лабораторные исследования, исследователи теперь заинтересованы в учете взаимодействий, которые мембраны испытывали, находясь внутри клетки.
«У нас есть мощность топливного элемента — так что у нас есть эффективность топливного элемента, срок службы топливного элемента — но у нас нет информации о молекулярном масштабе в топливном элементе», — сказал Хикнер. "Это следующий шаг — попытка детально выяснить, как эти полимеры работают в топливном элементе."