673886040@qq.com
Новая устойчивая мембрана топливного элемента преодолевает основные экологические барьеры
Исследователи из Университета Нагоя представили полимер фосфоновой кислоты с гидрофобными прокладками для топливных элементов, что позволило добиться работы при высокой температуре и низкой влажности без экологических проблем, связанных с PFAS. Конструкция обеспечивает улучшенную проводимость и стабильность, продвигая решения в области чистой энергии. Кредит: Ацуши Норо
Исследователи из Университета Нагои разработали полимер фосфоновой кислоты с гидрофобными прокладками для электролитов топливных элементов, что позволяет работать при высоких температурах и низкой влажности.
Исследовательская группа под руководством Ацуши Норо из Университета Нагои в Японии представила новаторскую конструкцию для электролитов топливных элементов, включающую полимер фосфоновой кислоты с углеводородными прокладками. Этот инновационный подход позволяет топливным элементам эффективно функционировать при высоких температурах (выше 100 °C) и низкой влажности, преодолевая значительные барьеры для широкого внедрения. Результаты были опубликованы в журнале ACS Applied Polymer Materials.
Топливные элементы вырабатывают электроэнергию путем электрохимического соединения водорода и кислорода, производя только воду в качестве побочного продукта, что делает их чистым энергетическим решением. Однако использование полимеров перфторсульфоновой кислоты, классифицируемых как пер- и полифторалкильные вещества (PFAS), в обычных топливных элементах вызвало опасения. Эти вещества сохраняются в окружающей среде и накапливаются в живых организмах, что приводит к нормативным ограничениям во многих странах.
Преимущества и проблемы полимеров фосфоновой кислоты
В отличие от ПФАС, полимеры углеводородов фосфоновой кислоты не содержат фтора, что делает их менее устойчивыми в окружающей среде. Эти полимеры также демонстрируют умеренную химическую стабильность в условиях высокой температуры и низкой влажности. Несмотря на эти преимущества, плохая проводимость и гидрофильная природа групп фосфоновой кислоты, которые притягивают воду, ограничивают их использование, что может привести к растворению во влажной среде.
Новая конструкция полимера фосфоновой кислоты с углеводородными разделителями и проводимость мембраны при 120° C и относительной влажности менее 20%. Автор: Ацуши Норо и Такато Кадзита
Чтобы преодолеть эти проблемы, Noro ввела гидрофобную прокладку между полимерной основой и группами фосфоновой кислоты углеводородного полимера фосфоновой кислоты. Это обеспечило водонерастворимость, химическую стабильность и умеренную проводимость даже при высоких температурах и низкой влажности. Кроме того, гидрофобная прокладка эффективно отталкивала воду, обеспечивая сохранение стабильности материала.
Улучшенная производительность мембраны
Новая мембрана продемонстрировала значительно более высокую водонерастворимость в горячей воде по сравнению с мембраной из полистиролфосфоновой кислоты без гидрофобных прокладок и коммерчески доступной мембраной из сшитого сульфированного полистирола.
«В условиях 120 °C и относительной влажности 20 % проводимость разработанной мембраны достигла в 40 раз выше, чем у мембраны из полистиролфосфоновой кислоты и в 4 раза выше, чем у сшитой сульфированной полистирольной мембраны», — сказал Норо.
«Поиск топливного элемента, который работает в условиях низкой влажности и высокой температуры, дает множество преимуществ для транспортных средств на топливных элементах», — продолжил Норо. «Во-первых, реакции на электродах топливного элемента протекают быстрее при более высоких температурах, что повышает общую производительность топливного элемента и эффективность выработки электроэнергии. Во-вторых, снижается отравление электродов оксидом углерода (CO), поскольку следовые количества CO в водородном топливе имеют тенденцию адсорбироваться на катализаторе при более низких температурах, но не при более высоких. В-третьих, топливный элемент выигрывает от более эффективного рассеивания тепла при высоких температурах, что позволяет использовать более простые конструкции систем охлаждения и отсутствие внешнего увлажнения, что позволяет создавать более легкие и компактные системы».
Это исследование получило поддержку от Организации по развитию новых энергетических и промышленных технологий (NEDO). Согласно дорожной карте NEDO по развитию технологий топливных элементов и водорода, предлагаемая концепция конструкции электролитных мембран, представленная в этом исследовании, является важным вкладом в разработку топливных элементов следующего поколения, которые поддерживают переход к обществу с нулевым выбросом углерода. Патентные заявки на материалы, связанные с предлагаемой концепцией конструкции, были поданы в Японии и нескольких других странах.
Ссылка: «Полимерные электролитные мембраны из полистирола с непосредственно связанными алкиленфосфонатными группами на боковых цепях», Такенори Накаяма, Такато Кадзита, Мио Нишимото, Харука Танака, Кацуми Сато, Маиша Мариум, Альберт Муфундирва, Хироюки Ивамото и Ацуши Норо, 10 декабря 2024 г., ACS Applied Polymer Материалы.
DOI: 10.1021/acsapm.4c02688.
