Новые полимерные топливные элементы могут работать при более высоких температурах

Новый высоконый полимерный топливный элемент, работающий при температуре 80-160 градусов Цельсия, с более высокой номинальной удельной мощностью, чем у современных топливных элементов, решает давнюю проблему перегрева, одного из наиболее значительных технических барьеров для использование средних и тяжелых топливных элементов в транспортных средствах, таких как грузовики и автобусы.


Поскольку современные топливные элементы работают при температуре 60-80°С, им требуются большие радиаторы и воздухозаборники, чтобы оставаться достаточно холодными для работы. Чтобы решить эту проблему, ученые Лос-Аламосской национальной лаборатории разработали новый полимерный топливный элемент, работающий при более высоких температурах.

«Топливные элементы — это устройства преобразования энергии, которые производят электричество путем электрохимического объединения водорода и кислорода из воздуха. Как и другие электромобили, автомобили на топливных элементах — это автомобили с нулевым уровнем выбросов; у них нет выбросов, связанных со смогом или парниковыми газами», — сказал Юй. Сын Ким из группы синтеза материалов и интегрированных устройств Лос-Аламоса. «Более того, водород можно производить из разнообразных внутренних ресурсов с нулевым уровнем выбросов парниковых газов».

Водородные топливные элементы являются хорошим вариантом для автомобильного транспорта средней и большой грузоподъемности, включая грузовые автомобили и автобусы, а также для морских, железнодорожных и авиационных применений.

Электрификация будущего транспорта средней и большой грузоподъемности — будь то батареи или водородные топливные элементы — необходима, учитывая глобальные усилия по сокращению выбросов на транспорте. По сравнению с транспортными средствами с батарейным питанием, топливные элементы обеспечивают быструю заправку и адекватное хранение топлива для применения на больших расстояниях. В течение нескольких десятилетий исследователи исследовали топливные элементы, которые могут работать при температуре выше 100°C, что позволяет создавать более простые системы топливных элементов за счет лучшего управления теплом и водой. Хотя для определения долговечности, необходимой для тяжелых условий эксплуатации, требуется дополнительная работа, это исследование предлагает решение для изготовления высокоэффективных топливных элементов в жарких и сухих условиях.

Достижения в области технологии топливных элементов также поддерживают инициативу Intermountain West Energy Sustainability & Transitions (I-WEST), в рамках которой разрабатывается технологическая дорожная карта для перехода западной части Соединенных Штатов к экономически устойчивой, углеродно-нейтральной энергетической системе. В дорожной карте будут изложены способы, с помощью которых штаты Межгорного Запада смогут справиться с проблемами, извлечь выгоду из возможностей и разработать справедливую стратегию перехода к энергетическому переходу.

Как они работают

В обычных высокотемпературных топливных элементах с мембраной из полимерного электролита в качестве электролита на электроде используется фосфорная кислота. В этом исследовании группа из Лос-Аламоса разработала полимерный электролит, состоящий из фосфонированного полимера и перфторсульфоновой кислоты. Исследователи обнаружили, что в этой композитной структуре электролита протон перфторсульфоновой кислоты переходит к фосфонированному полимеру и резко увеличивает протонную проводимость. Внедрив композитный полимерный электролит, исследователи смогли достичь номинальной удельной мощности топливного элемента почти 800 мВт на квадратный сантиметр при 160°C, что на 60% больше, чем у топливных элементов на основе фосфорной кислоты.

Это исследование является результатом деятельности Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США (ARPA-E), направленной на разработку инновационных высокотемпературных топливных элементов с полимерным электролитом для транспортных применений. Это исследование также поддерживает Управление по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии, водороду и технологиям на топливных элементах (EERE-HFTO) «L’innovator» Министерства энергетики США — программа, поддерживаемая Управлением по водороду и технологиям на топливных элементах Министерства энергетики, направленная на ускорение коммерциализации инновационного водорода и топлива. клеточные технологии, разработанные в национальных лабораториях для обеспечения надежной отечественной промышленности и базы поставок водорода и топливных элементов.