Прорывный материал открывает путь к использованию водорода в топливных элементах в жарких и сухих условиях: инновационный протонный проводник, эффективный при высоких температурах

«Несмотря на то, что коммерциализация высокоэффективных электромобилей на топливных элементах успешно началась, – сказал Ю Сын Ким, руководитель проекта в Лос-Аламосе, – необходимы дальнейшие технологические инновации для платформы топливных элементов следующего поколения, развивающейся в сторону применения в транспортных средствах большой грузоподъемности. Одной из технических проблем современных топливных элементов является отвод тепла от экзотермических электрохимических реакций топливных элементов.
«Мы изо всех сил пытались улучшить характеристики высокотемпературных мембранных топливных элементов после того, как в 2016 году разработали мембрану с координированной ионной парой», – сказал Ким. «Ионно-парные полимеры хороши для использования в мембранах, но высокое содержание примесей фосфорной кислоты вызывало отравление электродов и кислотное затопление, когда мы использовали полимер в качестве связующего для электродов."
В современных топливных элементах требование отвода тепла удовлетворяется за счет работы топливного элемента при высоком напряжении элемента.

Для достижения эффективного двигателя, работающего на топливных элементах, рабочая температура батарей топливных элементов должна повыситься, по крайней мере, до температуры охлаждающей жидкости двигателя (100 ° C).
«Мы полагали, что фосфонированные полимеры будут хорошей альтернативой, но предыдущие материалы не могли быть реализованы из-за нежелательного образования ангидрида при рабочих температурах топливных элементов.

Поэтому мы сосредоточились на получении фосфонированных полимеров, которые не подвергаются образованию ангидрида. Команда Керреса из Штутгартского университета смогла приготовить такие материалы, введя в полимер фторную составляющую.

Приятно, что теперь у нас есть как мембранные, так и иономерные связующие для высокотемпературных топливных элементов », – сказал Ким.
Десять лет назад Атанасов и Керрес разработали новый синтез фосфонированного поли (пентафторстирола), который состоял из стадий i) полимеризации пентафторстирола посредством радикальной эмульсионной полимеризации и ii) фосфонирования этого полимера посредством реакции нуклеофильного фосфонирования. Удивительно, но этот полимер показал хорошую протонную проводимость, превышающую Nafion в диапазоне температур> 100 ° C, и неожиданно отличную химическую и термическую стабильность> 300 ° C.
Атанасов и Керрес поделились своей разработкой с Кимом из Лос-Аламоса, команда которого, в свою очередь, разработала высокотемпературные топливные элементы для использования с фосфонированными полимерами.

Благодаря интеграции мембранного электродного узла с ионно-парной координированной мембраной LANL (Lee et al. Nature Energy, 1, 16120, 2016), топливные элементы, использующие фосфонированный полимер, показали отличную плотность мощности (1.13 Вт / см2 в условиях H2 / O2 со стабильностью> 500 ч при 160 ° C).

Что дальше? «Достижение плотности мощности более 1 Вт / см2 является важной вехой, которая говорит нам, что эта технология может успешно поступить на рынок», – сказал Ким. В настоящее время технология преследует цель коммерциализации через ARPA-E Министерства энергетики и Управление технологий водорода и топливных элементов в рамках Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии (EERE).

Пластиковые машины