Новые полимерные топливные элементы могут работать при более высоких температурах и могут помочь сократить выбросы углерода.
Новый высокотемпературный 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 градусов по Цельсию, им требуются большие радиаторы и воздухозаборники, чтобы оставаться достаточно прохладными 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 для преобразования энергии, которые производят электричество путем электрохимического комбинирования 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 будущих транспортных средств 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 градусов по Цельсию, 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 милливатт на квадратный сантиметр при 160 градусах Цельсия, что на 60 процентов больше, чем у топливных элементов на основе фосфорной кислоты.
Сегодня в журнале Nature Energy была опубликована статья «Электроды из протонированной фосфоновой кислоты для топливных элементов с ионно-парной высокотемпературной мембраной из полимерного электролита » .
