Nowe materiały dla membrany wymiany protonów (PEM)

Nowe materiały dla membrany wymiany protonów (PEM)

Od wielu lat ogniwa paliwowe jawią się jako użyteczna technologia. Niestety ze względu na wysokie koszty wytwarzania i brak infrastruktury do dziś nie znajdują powszechnego zastosowania w energetyce i środkach transportu. Ostatnie lata przybliżyły jednak ogniwa paliwowe do komercyjnych zastosowań.

Za jeden z przełomów w tej dziedzinie może uznać zastosowanie alternatywnych materiałów do budowy membrany wymiany protonów (Proton Exchange Membrane - PEM), dzięki czemu zwiększyła się trwałość oraz przewodnictwo ogniw. Ułatwiło to także ich produkcję. Kolejną innowacją w tej dziedzinie jest system klasyfikujący pozwalający naukowcom na ocenę przydatności potencjalnych materiałów do zastosowania w ogniwach paliwowych.

Istota działania ogniw paliwowych polega na zamianie energii chemicznej, przeważnie pochodzącej z wodoru, w energię elektryczną. W ogniwie paliwowym z membraną PEM krytyczna wymiana odbywa się poprzez cienką nasiąkniętą wodą warstwę kopolimeru, która zawiera grupy kwasu sulfonowego (SO3H). W jej efekcie elektrony są odłączane w procesie utleniania atomów wodoru, a uwolnione protony przechodzą przez warstwę łącząc się po drugiej stronie z tlenem, czego efektem jest produkcja wody jako produktu ubocznego.

Ostatnio zaproponowanym rozwiązaniem do produkcji membrany PEM jest opracowany przez badaczy pod kierownictwem James’a McGrath’a, profesora z Virginia Tech, materiał zachowujący przewodnictwo podczas niskiej wilgotności. Efektywność procesu wymiany mierzona jako przewodnictwo protonów zależy od wody, przez co spada ona wraz ze spadkiem wilgotności.

Membrana z nowego materiału zamiast mieszać dwa rodzaje monomerów reaktywnych w celu uformowania przypadkowego kopolimera, łączy bloki dwóch różnych krótkich polimerów w sekwencje, np. polimer W (lubiący wodę - hydrofilowy) z polimerem d (suchy ale silny) w następujący łańcuch: WWWWWdddddddWWWWWdddddddd.

Naukowcy potrafią już połączyć od 10-cio do 50-cio jednostkowe łańcuchy bloków polimerów hydrofilowych zawierające sulfonowe grupy kwasowe z równymi im pod względem długości wiązania blokami polimerów posiadającymi takie cechy, jak: wytrzymałość mechaniczna, termostabilność, trwałość, jednak nie lubiącymi wody (hydrofobowymi). Łańcuchy polimerów posiadają właściwość, dzięki której same uporządkowują się w elastyczne cienkie powłoki. Podczas obserwacji powłoki pod mikroskopem sił atomowych jej zawirowana powierzchnia wygląda jak odcisk palca. Widoczne są na niej zarówno jasne wypukłości, jak i ciemne kanały utworzone przez miękki hydrofilowy polimer. Kanały te łatwo wchłaniają wodę powodując, że cała powłoka membrany ma powinowactwo dla transportu wody, który jest od dwóch do trzech razy większy niż w przypadku obecnie stosowanych membran PEM.

Oprócz poprawy jakości materiałów używanych do produkcji membrany PEM celem badania prowadzonego przez naukowców pod kierownictwem McGrath’a jest opracowanie przystępnej metody produkcji tychże materiałów. Pomaga w tym właściwość kopolimerów polegająca na samouporządkowywaniu się w nanokompozytową powłokę. Aktualnie naukowcy skupiają się nad adaptacją do produkcji membran technologii używanych w przemyśle powłok.

Poprawa jakości materiałów używanych do produkcji membrany PEM była również celem J. Carson’a Meredith’a, profesora z Georgia Tech’s School, który opracował system klasyfikujący owe materiały. Obecnie stosowane membrany są nie tylko drogie, ale również charakteryzują się niską trwałością. Na ich wysoki koszt wpływa zastosowanie materiałów fluorowych, zamiast opartych na tworzywach węglowodorowych. Z kolei niska trwałość wynika z trudnych warunków w jakich pracują ogniwa. Przeciętny okres użytkowania membrany PEM wynosi kilka tysięcy godzin. Po tym okresie w membranie pojawiają się nieszczelności, przez co paliwo przedostaje się na stronę tlenową, co drastycznie obniża sprawność urządzenia.

Przy użyciu systemu klasyfikującego materiały bazowe, naukowcy chcą uzyskać membranę o optymalnych parametrach i korzystnych cechach eksploatacyjnych. Kluczem do stworzenia nowej membrany jest zastosowanie specjalnie wyselekcjonowanych polimerów, z których każdy ma spełniać w membranie określoną funkcję. Poza właściwościami polimerów na docelowy materiał użyty do produkcji membrany wpływ będą miały proporcje w jakich polimery zostały zmieszane, oraz kolejność ich dodawania i prędkość mieszania.

(au)