Новые полимерные электролитные мембраны для топливных элементов могут работать при 250 ° C

Мембрана изготовление.Кредит: Lee et al.(Nature Energy, 2024, природа Спрингера).

Водородные топливные элементы, устройства, которые могут преобразовать химическую энергию, хранящуюся в водороде в электрическую энергию, посредством электрохимической реакции, являются многообещающими растворами для электрификации крупных транспортных средств.Было обнаружено, что топливные элементы, основанные на низкотемпературных (ниже 100 ° C) протонных обменных мембран, особенно полезны для транспортировки, поскольку они производят ограниченный шум, имеют высокую плотность мощности и могут мощности на большие расстояния с одним зарядом водорода.

Несмотря на их обещание, эти низкотемпературные топливные элементы работают только с очень чистым водородом, а также из сложных систем управления теплом и воды, которые могут ограничить их реальное использование.Повышение рабочей температуры топливных элементов до 120–150 ° C может помочь уменьшить эти требования, что делает их более устойчивыми к примесям водорода, а также упрощает их внутреннее охлаждение и управление водой.

Исследователи из Корейского института науки и технологии недавно разработали новую полимерную электролитную мембрану (PEM) для топливных элементов, которые могут работать при температуре выше 200 ° C и до 250 ° C.Их предложенный PEM, представленная в статье, опубликованной в Nature Energy, основана на уникальном типе протонного носителя, который может быть развернут в качестве самосборной сети для содействия протону проводимости.

«Работая топливные элементы PEM при высоких температурах может упростить управление водами и позволить интеграцию с высокой чистовой обработкой топлива»,-написали Сейнгджу Ли, Чон Гюн Сеонг и их коллеги в своей статье.«Однако существующие топливные элементы PEM на основе полибензимидазола (PBI) сталкиваются с проблемами из-за нестабильности транспорта протонов выше 160 ° C. Мы сообщаем о PEM, состоящем из PARA-PBI (P-PBI) и фосфата водородногоген (CEHP), который можетиспользоваться в топливном элементе при 250 ° С. ”

Исследователи показали, что при температуре выше 200 ° C первичная протонная проводимость их PEM изменилась таким образом, что позволило топливным элементам работать при температурах 250 ° C.В начальных испытаниях было обнаружено, что топливный элемент, основанный на этой мембране, достигает замечательных электрохимических характеристик и повышенной толерантности к СО и большей продолжительности работы по сравнению с другими существующими топливными элементами, работающими при этих высоких температурах.

“Во время изготовления частицы CEHP в форме эхиноида образуют хорошо диспергированную и взаимосвязанную самоорганизацию сети в матрице PBI (SAN-CEHHP-PBI), что позволяет им опережать P-PBI и обычные PEM-PEMS в терминах протоновВыше 200 ° C, - написали Ли, Сеонг и их коллеги.

«Мы сообщаем о топливном элементе на основе SAN-CEHP-PBI, который достигает максимальной плотности мощности 2,35 Вт см-2 (при 250 ° C в сухом H2/O2) с незначительной деградацией более 500 часов во время термического цикла (при 160–240° C, H2/Air).

Это недавнее исследование Ли, Сонг и его коллеги вскоре может открыть новые возможности для разработки более эффективных топливных элементов для применений, связанных с транспортом.Хотя новая PEM команды уже достигла многообещающих результатов, ее коммерциализация станет возможной только после того, как серия технических проблем будут преодолены.В частности, ученые и инженеры сначала должны будут идентифицировать стабильные катализаторы и связующие, которые могут переносить длительное воздействие температуры выше 250 ° C.

More information: Seungju Lee et al, Self-assembled network polymer electrolyte membranes for application in fuel cells at 250 °C, Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01536-4