Opbygning af en bedre brændselscelle

Brændselsceller baseret på faste syreforbindelser kan tilbyde højere spændinger, højere driftstemperaturer, mindre systemkompleksitet og flere brændselsmuligheder end nutidens brændselsceller. Sådan rapporterer forskere ved California Institute of Technology i denne uges Natur .

Brændselsceller omdanner kemisk energi direkte til elektrisk energi, en mere effektiv proces end forbrænding ( se Fyld op med brint ). De mest lovende brændselsceller bruger membraner lavet af polymerelektrolytter. De virker ved at føre et brændstof, såsom brint, hen over membranen, som kun er permeabelt for protoner. Brintens elektron skal gå rundt om membranen og generere den elektriske strøm. På den anden side af membranen binder brinten sig til atmosfærisk oxygen, så det eneste biprodukt er vand.

Men polymerelektrolytmembraner har en stor ulempe: de har brug for fugt for at fungere. Det begrænser driftsbetingelserne til under vands kogepunkt - en stor begrænsning for, hvor og hvordan brændselsceller kan bruges.

For at det kan fungere, skal polymeren være våd, siger Sossina Haile, assisterende professor i materialevidenskab ved Caltech og hovedforfatter af Natur papir. Det betyder, at der er mange problemer med vandstyring og temperaturstyring. Du skal holde det køligt, men ikke for køligt, vådt, men ikke for vådt. (For meget vanddamp, og det kondenserer på membranoverfladen og blokerer for gassen.) Alt dette øger kompleksiteten - og dermed prisen på brændselsceller, siger hun.

Intet vand, intet problem

	Professor Hailes forskningsgruppe (fra venstre mod højre): Calum Chisholm, Ryan Merle, Dane Boysen og Sossina Haile.

I modsætning til polymerelektrolytmembraner er Hailes faste syremembraner vandfri, hvilket betyder, at de fungerer, uanset om der er vand til stede eller ej. I Natur , Haile rapporterede positive resultater ved temperaturer op til 160 °Celsius for membraner lavet af cæsiumhydrogensulfat - en fast syre omtrent lige så billig som bordsalt, siger Haile.

En protonledende elektrolyt fri for vand er en vidunderlig ting at have, siger Sekharipuram Narayanan, en brændselscelleforsker ved National Aeronautics and Space Administrations Jet Propulsion Laboratory, som tidligere har arbejdet med Haile.

Narayanans forskning fokuserer på at forsyne brændselsceller med methanol - et område, der kan få et stort løft fra faste syremembraner. Såkaldte direkte methanol-brændselsceller bruger methanol i stedet for brint til brændstof. Men polymerbaserede membraner tillader også noget methanol at passere igennem uden at generere strøm, et problem kaldet methanol crossover. Selvom det ikke er blevet påvist, teoretiserer Haile, at faste syrer kan reducere methanol-overgangen.

Svovl, stort problem?

Store forhindringer skal dog overskrides, hvis fast-syre brændselsceller nogensinde skal være en levedygtig kraftkilde. Hailes prototype genererede kun 50 milliampere strøm per kvadratcentimeter membran sammenlignet med 1 ampere per kvadratcentimeter genereret af polymerelektrolytmembraner.

Der er en meget lang vej tilbage med hendes tilgang, før den bliver tæt på nyttig, siger Tom Zawodzinski, en brændselscelleforsker ved Los Alamos National Laboratory, i en e-mail til technologyreview.com.

Et andet problem: faste elektrolytter, såsom Haile's, virker ikke ved stuetemperatur og skal opvarmes, før de begynder at generere strøm. Det er ikke en big deal, siger Narayanan, når du driver en bil, men det gør små applikationer - såsom mobiltelefoner - næsten umulige.

Den største hindring er måske, at Hailes membran indeholder svovl, som reagerer med brintbrændstoffet for gradvist at reducere brændselscellens ydeevne. Problemet er, at brændselscellen - elektrolytten - står over for et ekstremt miljø, siger Haile. Membranen har svovl i sig, som vil reagere med brinten. Produktet af reaktionen, hydrogensulfid, forstyrrer den kemiske reaktion, der genererer elektricitet.

For at løse problemet leder Hailes forskergruppe efter faste syrer, der ikke indeholder svovl. Det er noget, der kunne blive løst i dag, eller det kunne blive løst aldrig, siger hun.

skjule