211service.com
Bygge en bedre brenselcelle
Brenselceller basert på faste syreforbindelser kan tilby høyere spenninger, høyere driftstemperaturer, mindre systemkompleksitet og flere drivstoffalternativer enn dagens brenselceller. Så rapporterer forskere ved California Institute of Technology i denne uken Natur .
Brenselceller konverterer kjemisk energi direkte til elektrisk energi, en mer effektiv prosess enn forbrenning ( se Fyll opp med hydrogen ). De mest lovende brenselcellene bruker membraner laget av polymerelektrolytter. De fungerer ved å føre et brensel, for eksempel hydrogen, over membranen, som bare er gjennomtrengelig for protoner. Hydrogens elektron må gå rundt membranen og generere den elektriske strømmen. På den andre siden av membranen binder hydrogenet seg til atmosfærisk oksygen, så det eneste biproduktet er vann.
Men polymerelektrolyttmembraner har en stor ulempe: de trenger fuktighet for å fungere. Det begrenser driftsforholdene til under kokepunktet for vann - en stor begrensning på hvor og hvordan brenselceller kan brukes.
For at det skal fungere, må polymeren være våt, sier Sossina Haile, assisterende professor i materialvitenskap ved Caltech og hovedforfatter av Natur papir. Dette betyr at det er mange problemer med vannhåndtering og temperaturstyring. Du må holde det kjølig, men ikke for kjølig, vått, men ikke for vått. (For mye vanndamp, og det kondenserer på membranoverflaten og blokkerer gassen.) Alt dette øker kompleksiteten – og dermed kostnadene for brenselceller, sier hun.
Ingen vann, ingen problemer
 |  |
| | |
| Professor Hailes forskningsgruppe (fra venstre til høyre): Calum Chisholm, Ryan Merle, Dane Boysen og Sossina Haile. | |
| |
I motsetning til polymerelektrolyttmembraner er Hailes faste syremembraner vannfrie, noe som betyr at de fungerer uansett om vann er tilstede eller ikke. I Natur Haile rapporterte positive resultater ved temperaturer opp til 160 °C for membraner laget av cesiumhydrogensulfat - en fast syre omtrent like billig som bordsalt, sier Haile.
En protonledende elektrolytt fri for vann er en fantastisk ting å ha, sier Sekharipuram Narayanan, en brenselcelleforsker ved National Aeronautics and Space Administrations Jet Propulsion Laboratory som har jobbet med Haile tidligere.
Narayanans forskning fokuserer på å drive brenselceller med metanol - et område som kan få et stort løft fra solide syremembraner. Såkalte direkte metanol brenselceller bruker metanol i stedet for hydrogen som drivstoff. Men polymerbaserte membraner lar også noe metanol passere uten å generere strøm, et problem som kalles metanol-crossover. Selv om det ikke er påvist, teoretiserer Haile at faste syrer kan redusere metanolovergangen.
Svovel, stort problem?
Store hindringer må imidlertid overskrides hvis fastsyre brenselceller noen gang skal være en levedyktig kraftkilde. Hailes prototype genererte bare 50 milliampere strøm per kvadratcentimeter membran, sammenlignet med 1 ampere per kvadratcentimeter generert av polymerelektrolyttmembraner.
Det er en veldig lang vei å gå med hennes tilnærming før den blir nær nyttig, sier Tom Zawodzinski, brenselcelleforsker ved Los Alamos National Laboratory, i en e-post til technologyreview.com.
Et annet problem: faste elektrolytter, som Haile's, fungerer ikke ved romtemperatur og må varmes opp før de begynner å generere strøm. Det er ingen stor sak, sier Narayanan, når du driver en bil, men det gjør små applikasjoner - som mobiltelefoner - nesten umulig.
Den kanskje største hindringen er at Hailes membran inneholder svovel, som reagerer med hydrogendrivstoffet for gradvis å redusere ytelsen til brenselcellen. Problemet er at brenselcellen - elektrolytten - står overfor et ekstremt miljø, sier Haile. Membranen har svovel i seg som vil reagere med hydrogenet. Produktet av reaksjonen, hydrogensulfid, forstyrrer den kjemiske reaksjonen som genererer elektrisitet.
For å omgå problemet leter Hailes forskningsgruppe etter faste syrer som ikke inneholder svovel. Det er noe som kan løses i dag, eller det kan bli løst aldri, sier hun.