Напротив, топливные элементы с анионообменной мембраной (AEM) используют более дешевые катализаторы и могут предложить превосходные характеристики. В этих ячейках циркулируют гидроксид-ионы (ОН-) вместо протонов за счет использования полимерного электролита, состоящего из основной цепи полимера и ионпроводящих групп. Одним из способов улучшения свойств таких электролитов является сшивание – физическое или химическое связывание полимерных звеньев друг с другом через молекулярные боковые цепи.
Хотя кислородсодержащие сшивающие агенты улучшают стабильность и ионную проводимость AEM в силу их гидрофильности или сродства к воде, влияние длины сшивающего агента, которая определяет количество атомов кислорода, не изучено в деталях.
Чтобы глубже понять этот вопрос, ученые из Инчхонского национального университета недавно провели исследование, в котором они получили длинные полимеры AEM с ионно-проводящими группами аммония и связали эти молекулы вместе с помощью сшивающих агентов, содержащих оксид этилена (EO), различной длины. В ходе множества экспериментов они сравнили АЭМ с разной длиной сшивающего агента с точки зрения их механических и термических свойств, водоудерживающей способности, проводимости ионов ОН-, морфологии и стабильности. Их результаты опубликованы в Journal of Membrane Science, ведущем журнале в области науки о полимерах.
Эксперименты помогли ученым выяснить механизмы, с помощью которых чрезмерная длина сшивающего агента может в конечном итоге ухудшить характеристики AEM.
Профессор Тэ-Хюн Ким, руководивший исследованием, объясняет: «Хотя было легко предсказать, что кислородсодержащие сшивающие агенты повысят гидрофильность и, возможно, приведут к лучшей ионной проводимости, наши результаты показывают, что чрезмерно большое количество повторяющихся кислородных единиц увеличивает кристалличность – или степень упорядоченности – полученного материала. В свою очередь, это фактически снижает гидрофильность и в конечном итоге ставит под угрозу многие физико-химические свойства AEM."
После определения оптимальной длины своего сшивающего агента, исследователи подготовили топливный элемент AEM и обнаружили, что полученные характеристики были заметно лучше, чем при использовании AEM без кислородсодержащих сшивающих агентов. Взволнованный результатами, профессор Ким комментирует: «Главный вывод из нашего исследования заключается в том, что добавление молекул с высоким сродством к воде, таких как оксид этилена, к сшивающим агентам оптимальной длины является действенной стратегией для улучшения фундаментальных свойств AEM и их эффективности в настоящие топливные элементы."
Хотя еще есть возможности для улучшений, прежде чем топливные элементы AEM могут быть эффективно использованы на практике и коммерциализированы, это исследование продвигает наше общество на шаг вперед к популяризации экологически чистых источников энергии следующего поколения.