Zwiększanie trwałości membran do ogniw paliwowych
Ogniwo paliwowe wytwarza energię poprzez reakcję chemiczną paliwa z tlenem. Jednym z rodzajów takich ogniw są PEM, czyli ogniwa z polimerową membraną protonowymienną, pełniącą funkcję elektrolitu. Te półprzepuszczalne membrany są zwykle wytwarzane z jonomerów i mają za zadanie przepuszczać protony i zatrzymywać gazy. Do tej pory ogniwa PEM ulegały jednak częstym awariom, głównie z powodu uszkodzenia mechanicznego membrany. Aby zwiększyć ich trwałość i czas eksploatacji ustanowiono projekt "Membranes for stationary application with robust mechanical properties" (MAESTRO). Jednym z najpowszechniejszych i najdostępniejszych na rynku materiałów PEM jest kopolimer kwasu perfluorosulfonowego i politetrafluoroetylenu (PFSA). Projekt MAESTRO umożliwił znaczące postępy w uzyskiwaniu lekkich jonomerów PFSA o udoskonalonych właściwościach mechanicznych w porównaniu z obecnym stanem wiedzy. Jonomery odniesienia uważano za najlepszy materiał stworzony dotąd w laboratorium. Jednakże w projekcie MAESTRO wykazano, że nie były one optymalne pod względem trwałości, gdy zespoły elektrod membranowych (MEA) oceniano po 100 godzinach ciągłej pracy. Naukowcy korzystali więc z lekkich jonomerów, aby zrealizować postawiony sobie cel stworzenia membran o ulepszonych właściwościach mechanicznych. Przyjęli podejście oparte na stosowaniu metod przetwarzania chemicznego i termicznego oraz wzmacniania materiału wypełniaczami. Szczególny nacisk kładziono na badanie sieciowania jonowego podczas polimeryzacji emulsji i odlewania membran. Tą metodą uzyskano nieliniowe molekuły jonomerów o masie molekularnej pozwalającej przezwyciężyć problemy związane ze zmianami wielkości membrany, tj. jej puchnięciem. Naukowcy korzystają też z elektrowirowania, aby uzyskać organiczne i nieorganiczne włókna do wzmacniania mechanicznego lekkich jonomerów odniesienia. Wzmacnianie nanowłóknami umożliwiło znaczącą poprawę właściwości mechanicznych uzyskanych membran oraz ich większą trwałość, przy czym przewodność w porównaniu z membranami odniesienia również była większa. Inną metodą wzmacniania mechanicznego jonomerów odniesienia było sieciowanie jonowe z wykorzystaniem nanocząstek. Przygotowano szereg membran z wypełniaczami z nanocząstek o różnej hydrofobowości. Testy in situ polegające na przyspieszaniu degradacji mechanicznej dowiodły większej trwałości ustabilizowanych MEA oraz wykazały, że straty napięcia po ponad 2000 godzin pracy były mniejsze niż 3%. Wyniki projektu zostały udostępnione w publikacjach i na stronie internetowej projektu.
Słowa kluczowe
Membrany do ogniw paliwowych, stabilność mechaniczna, membrana protonowymienna, właściwości mechaniczne, jonomery PFSA