Doskonalsze membrany dla ogniw paliwowych

Sandia National Laboratories opatentowały membranę do wymiany protonów, która jest znacznie doskonalsza od membran stosowanych we współczesnych ogniwach paliwowych. Membrany używane obecnie w samochodowych ogniwach paliwowych nie działają zbyt efektywnie, gdyż środowisko ich pracy jest zbyt chłodne lub zbyt gorące. Z tego też powodu ulegają szybkiej degradacji. Chemicy z Sandia National Labs opracowali membranę, która działa w szerokim zakresie temperatur i jest trzykrotnie bardziej trwała niż porównywalne komercyjnie dostępne produkty.

Membrana do wymiany protonów stosowana w ogniwach paliwowych służy do przepuszczania protonów i zapewnia pojazdowi odpowiednio dużo energii. Jeśli protony nie mogą łatwo przedostać się przez membranę, ogniwo produkuje mniej prądu, jest więc mniej wydajne.

Obecnie stosowane w pojazdach ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEM) zwykle wykorzystują wodę, nie powinny więc pracować w temperaturze wyższej niż temperatura wrzenia wody. Zbyt wysoka temperatura wysusza membranę i zmniejsza jej wydajność. Jednym z problemów ze współczesnymi PEM jest konieczność uwadniania wodoru, dzięki czemu ogniwo jest wysoko wydajne. Nie może więc pracować w temperaturze wyższej niż temperatura wrzenia wodny. Problem można rozwiązać poprzez stosowanie większego radiatora rozpraszającego ciepło odpadowe. Producenci samochodów tak robią, ale PEM, które nie potrzebowałoby wody znacznie uprościłoby całą konstrukcję - mówi chemik Cy Fujimoto. Kolejny problem to koszt współczesnych membran wynoszący 250-500 USD za metr kwadratowy. Departament Energii stawia sobie za cel opracowanie membran kosztujących 5-20 dolarów za metr - dodaje Fujimoto.

Naukowcy z Sandia Laboratories najpierw pracowali nad wysokotemperaturowymi metodami zakładającymi wzbogacanie kwasem fosforowym włókna PBI (polybenzimidazol), z którego produkuje się membrany. Okazało się jednak, że gdy temperatura spada poniżej 140 stopni Celsjusza dochodzi do degradacji kwasu fosforowego. Membrana nie nadawała się więc do zastosowania w samochodach, gdzie woda skraplająca się na silniku podczas rozruchu oraz procesy chemiczne zachodzące w katodzie prowadzą do spadku temperatury poniżej wymaganego minimum. Uczeni z Sandia połączyli więc swoją metodę z wynalazkiem naukowców z Los Alamos National Laboratory, którzy stworzyli ogniwo paliwowe wykorzystujące jon amonowy. Połączenie obu technologii dało membranę ze sparowanymi jonami amonowo-fosforanowymi, która stabilnie pracuje w temperaturze 80-160 stopni Celsjusza, dobrze radzi sobie ze zmianami wilgotności i ma trzykrotnie dłuższą żywotność niż większość komercyjnych membran.

ogniwo paliwowe membrana