Japonya’nın Nagoya Üniversitesi, yakıt hücreleri için yeni bir polimer elektrolit membran geliştirdi

Yeni Enerji ve Endüstriyel Teknoloji Geliştirme Örgütü (NEDO) tarafından yaptırılan bir projede, Japonya’daki Nagoya Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, yüksek yoğunlukta sülfonik asit grupları içeren poli(stirensülfonik asit) bazlı PEM’ler geliştirdiler.

Çevre dostu polimer elektrolit yakıt hücrelerinin ana bileşenlerinden biri polimer elektrolit (PEM) membrandır. Hidrojen ve oksijen gazları arasındaki reaksiyon yoluyla elektrik enerjisi üretir. Pratik yakıt hücrelerine örnek olarak yakıt hücreli araçlar (FCV’ler) ve yakıt hücreli birleşik ısı ve güç (CHP) sistemleri verilebilir.

En iyi bilinen PEM, 1960’larda DuPont tarafından geliştirilen Nafion gibi bir perflorosülfonik asit polimerine dayanan bir zardır. Nem koşullarında 70-90 °C’de 0,1 S/cm’lik iyi bir proton iletkenliğine sahiptir. Bu koşullar altında, sülfonik asit gruplarından protonlar salınabilir. Bu tür zarlarda proton iletimi tipik olarak protonlar, sülfonik asit grupları ve su molekülleri arasındaki bir proton transfer mekanizmasına dayanır. Tipik olarak, zardaki sülfonik asit gruplarının yoğunluğu ne kadar yüksekse, sülfonik asit gruplarından salınabilen protonların yoğunluğu da o kadar fazladır; Bu nedenle, daha yüksek bir sülfonik asit grubu yoğunluğu genellikle daha yüksek bir proton iletkenliğine yol açar.

Bununla birlikte, geleneksel sentez sürecini kullanarak, yüksek yoğunluklu sülfonik asit grupları içeren PEM’leri sentezlemek zordur. Örneğin poli(stirensülfonik asit) bazlı PEM’de sülfonik asit gruplarının yoğunluğunu arttırmak için sülfonasyon reaksiyonunun uzun saatler boyunca veya zorlu koşullar altında gerçekleştirilmesi gerekir. Genellikle dumanlı sülfürik asit ve klorosülfonik asit gibi oldukça oksitleyici maddeler kullanırlar. Ne yazık ki bu, polimer omurga zincirlerinin bölünmesi gibi istenmeyen yan etkileşimlere yol açar. Bu nedenle, polimer sentezi sırasında istenmeyen yan reaksiyonlardan kaçınmak için, ticari olarak temin edilebilen PEM’ler genellikle düşük yoğunluklu sülfonik asit grupları elde etmek için sentezlenir. Selemion by AGC gibi ticari olarak temin edilebilen Nafion veya poli(stirensülfonik asit) bazlı PEM’ler için, asidik grupların yoğunluğunun bir göstergesi olan iyon değişim kapasitesi (IEC) tipik olarak 1,0 μm/g’den azdır.

Makalede, Nagoya Üniversitesi Mühendislik Enstitüsü’ndeki Atsushi Noro ve meslektaşları ve yine Nagoya Üniversitesi’ndeki Geleceğin İnovasyonu için Enstitüler Topluluğu’ndan meslektaşları, çok yüksek yoğunlukta sülfonik asit grupları içeren poli(stirensülfonik asit) geliştirdiler. PEM için IEC, 5.0 mequiv./g idi. Bu, Nafion veya Selemion gibi piyasada bulunan tipik PEM’lerin IEC değerinden beş kat daha yüksektir. %90 bağıl nem (polimer elektrolit yakıt hücreleri için yaygın bir çalışma koşulu) altında 80 °C’de proton iletkenliği 0,93 S/cm idi. Bu, aynı ölçüm koşulları altında Nafion (0,15 S/cm) veya Selemion’un (0,091 S/cm) iletkenliğinden altı kat daha fazladır.

Gelecekteki yakıt hücreleri, daha yüksek sıcaklıklar ve daha düşük nem gibi daha ağır çalışma koşulları altında çalıştırılmalıdır. Bu çalışma, bu aşırı koşullar altında 0,1 S/cm veya daha yüksek iyi iletkenlik sergileyen yeni nesil yüksek performanslı PEM’lerin sentezine ve geliştirilmesine katkıda bulunacaktır. Çalışma ayrıca karbon nötr bir toplum hedefine ulaşılmasına da katkıda bulunacaktır.