Новый подход к решению экологических проблем заключается в разработке и коммерциализации надежных водородных топливных элементов. Эти ячейки содержат полимерную электролитную мембрану, которая служит барьером между электродами (проводниками, которые обеспечивают поток электричества через вещество). Эта мембрана проводит протоны, но препятствует движению электронов, молекул водорода и кислорода.
Когда транспортное средство ускоряется или замедляется, топливный элемент работает нестабильно, что приводит к изменению выработки воды и вызывает расширение и сжатие мембраны. Повторяющаяся деформация с течением времени приводит к образованию трещин, ускоряя нежелательный транспорт водорода через мембрану и в конечном итоге вызывая сбой в работе.
Некоторые методы, используемые для устранения этих трещин, включают поглотители радикалов и мембраны из углеводородных электролитов. Однако, хотя эти подходы и предлагают некоторую защиту, они не могут полностью предотвратить образование и распространение этих трещин.
Теперь в недавнем исследовании, опубликованном в журнале Advanced Materials , под руководством доцента Сан Мун Кима из Инчхонского национального университета и профессора Чжигана Суо из Гарвардского университета, группа исследователей разработала полимерную электролитную мембрану , устойчивую к усталости.
По словам доктора Кима, «чтобы обеспечить долгосрочную стабильную работу топливных элементов, важно разработать электролитную мембрану с высокой устойчивостью к повторяющимся усталостным разрушениям, которая отражает реальную рабочую среду и процесс деградации топливных элементов. В нашем исследовании , мы использовали взаимопроникающую сеть, чтобы намеренно распределять повторяющийся стресс».
В этом исследовании исследователи создали категорию устойчивых к усталости электролитных мембран, состоящих из взаимопроникающей сетки нафиона и перфторполиэфира (ПФПЭ). Нафион — это широко используемый пластиковый электролит с протонпроводящими свойствами, а ПФПЭ создает прочную эластичную полимерную сетку. Введение каучука немного ухудшает электрохимические характеристики, но заметно повышает порог усталости и срок службы.
Произведенные мембраны имели разное содержание ПФПЭ; среди них тот, у которого насыщение 50%, показал приемлемые электрохимические характеристики.
По сравнению с оригинальным Nafion, эта мембрана Nafion-PFPE повышает порог усталости на 175% и продлевает срок службы топливного элемента в 1,7 раза. Кроме того, срок службы немодифицированной мембраны Nafion составляет 242 часа, тогда как срок службы композитной мембраны составляет 410 часов. В совокупности эти результаты позволяют предположить, что включение эластичной сетки незначительно снижает электрохимические характеристики, но значительно повышает усталостную устойчивость и общий срок службы.
Это исследование имеет большое значение для различных приложений. Внедрение системы топливных элементов, обладающей стабильностью, долговечностью и производительностью, может проложить путь к инновациям в различных отраслях. Помимо транспортных средств на топливных элементах , это может повлиять на развитие передовых технологий в области дронов, персональных летательных аппаратов, резервных источников питания, вилочных погрузчиков, велосипедов, скутеров и многого другого.
«Кроме того, стратегия повышения усталостной стойкости может быть расширена и применена к ионным фильтрам, сепараторам аккумуляторов и исполнительным системам. Это обеспечивает широкое применение в высоконадежных и долговечных опреснительных фильтрах, сепараторах проточных батарей, сепараторах литий-металлических батарей, и искусственные мышцы», — говорит доктор Ким.
Теги: батарея, полимеры
