Bygga en bättre bränslecell

Bränsleceller baserade på fasta sura föreningar kan erbjuda högre spänningar, högre driftstemperaturer, mindre systemkomplexitet och fler bränslealternativ än dagens bränsleceller. Så rapporterar forskare vid California Institute of Technology i denna veckas Natur .

Bränsleceller omvandlar kemisk energi direkt till elektrisk energi, en mer effektiv process än förbränning ( se Fyll på med väte ). De mest lovande bränslecellerna använder membran gjorda av polymerelektrolyter. De fungerar genom att passera ett bränsle, såsom väte, över membranet, som bara är genomsläppligt för protoner. Vätets elektron måste gå runt membranet och generera den elektriska strömmen. På andra sidan av membranet binds vätet med atmosfäriskt syre, så den enda biprodukten är vatten.

Men polymerelektrolytmembran har en stor nackdel: de behöver fukt för att fungera. Det begränsar driftsförhållandena till under vattnets kokpunkt - en stor begränsning för var och hur bränsleceller kan användas.

För att det ska fungera måste polymeren vara våt, säger Sossina Haile, biträdande professor i materialvetenskap vid Caltech och huvudförfattare till Natur papper. Detta innebär att det finns många problem med vattenhantering och temperaturhanteringsfrågor. Du måste hålla det svalt men inte för svalt, blött men inte för blött. (För mycket vattenånga, och det kondenserar på membranytan och blockerar gasen.) Allt detta ökar komplexiteten – och därmed kostnaden för bränsleceller, säger hon.

Inget vatten, inga problem

	Professor Hailes forskargrupp (från vänster till höger): Calum Chisholm, Ryan Merle, Dane Boysen och Sossina Haile.

Till skillnad från polymerelektrolytmembran är Hailes fasta syramembran vattenfria, vilket innebär att de fungerar oavsett om det finns vatten eller inte. I Natur Haile rapporterade positiva resultat vid temperaturer upp till 160 °C för membran gjorda av cesiumvätesulfat - en fast syra som är ungefär lika billig som bordssalt, säger Haile.

En protonledande elektrolyt fri från vatten är en underbar sak att ha, säger Sekharipuram Narayanan, en bränslecellsforskare vid National Aeronautics and Space Administrations Jet Propulsion Laboratory som har arbetat med Haile tidigare.

Narayanans forskning fokuserar på att driva bränsleceller med metanol - ett område som kan få ett stort uppsving från fasta sura membran. Så kallade direkta metanolbränsleceller använder metanol istället för väte som bränsle. Men polymerbaserade membran tillåter också en del metanol att passera igenom utan att generera ström, ett problem som kallas metanolcrossover. Även om det inte har visats, teoretiserar Haile att fasta syror kan minska metanolövergången.

Svavel, stort problem?

Stora hinder måste dock passeras om fasta syrabränsleceller någonsin ska vara en livskraftig kraftkälla. Hailes prototyp genererade endast 50 milliampere ström per kvadratcentimeter membran, jämfört med 1 ampere per kvadratcentimeter som genererades av polymerelektrolytmembran.

Det finns en mycket lång väg att gå med hennes tillvägagångssätt innan det blir nära till användbart, säger Tom Zawodzinski, bränslecellsforskare vid Los Alamos National Laboratory, i ett e-postmeddelande till technologyreview.com.

Ett annat problem: fasta elektrolyter, som Hailes, fungerar inte i rumstemperatur och måste värmas upp innan de börjar generera ström. Det är ingen stor sak, säger Narayanan, när du driver en bil, men det gör små applikationer - som mobiltelefoner - nästan omöjliga.

Det kanske största hindret är att Hailes membran innehåller svavel, som reagerar med vätebränslet för att gradvis minska bränslecellens prestanda. Problemet är att bränslecellen - elektrolyten - möter en extrem miljö, säger Haile. Membranet har svavel i sig som kommer att reagera med vätet. Produkten av reaktionen, svavelväte, stör den kemiska reaktionen som genererar elektricitet.

För att komma runt problemet letar Hailes forskargrupp efter fasta syror som inte innehåller svavel. Det är något som skulle kunna lösas idag, eller det skulle kunna lösas aldrig, säger hon.

Dölj