Nanostrukturalne membrany w ogniwach paliwowych
W tym kontekście uczestnicy finansowanego ze środków UE projektu ZEOCELL badali właściwości wielofunkcyjnych nanostrukturalnych materiałów z zamiarem wykorzystania ich w pracy przy wysokich temperaturach. Celem projektu ZEOCELL było uzyskanie przewodności jonowej większej lub równej 100 milisimensom (mS)/cm w membranach ogniw paliwowych, a także dobrej stabilności chemicznej, mechanicznej i termicznej. Do innych ważnych właściwości należały trwałość wynosząca co najmniej 1000 godzin w temperaturach od 130 do 200ºC, niski współczynnik przenikania paliwa oraz koszty produkcji poniżej 400 euro/m2. W tym celu uczestnicy projektu ZEOCELL opracowali i gruntownie zbadali siedem różnych membran elektrolitowych, z wykorzystaniem co najmniej jednego z następujących materiałów: porowaty polibenzimidazol (PBI), ciecze jonowe PILs oraz mikroporowate zeolity/zeotypy. Dokładnie przeanalizowano ich właściwości morfologiczne, fizykochemiczne, mechaniczne i elektrochemiczne. Architektura membrany polimerowej ma kluczowe znaczenie dla transportu protonów. Z tych względów do zastosowania jako substraty przewodnictwa protonów wybrano filmy PBI o losowych i prostych porach. Ustanowiono odpowiednie protokoły funkcjonalizacyjne dla materiałów mikroporowatych z wykorzystaniem technik szczepienia i tworzenia filmów. Badano także inne aspekty wpływające na wydajność, posługując się domieszkowaniem kwasem fosforowym, osadzaniem PIL oraz dodawaniem wypełniaczy nieorganicznych, takich jak mikroporowate zeolity i nanokryształki tytanowo-krzemianowe. Cienkie warstwy polimerowej cieczy jonowej na losowo porowatych substratach PBI wykazały się najlepszą przewodnością (ponad 275 mS/cm) po 1000 godzinach pracy. Z powodzeniem stworzono hybrydowe membrany oparte na domieszkowanych kwasem porowatych PBI i materiałach mikroporowatych o dobrych własnościach przewodzących. Uzyskano także odpowiednie właściwości przenikania paliwa. Rozwiązanie ZEOCELL przeszło pomyślnie testy i wykazało się lepszymi parametrami niż dostępne na rynku zespołu elektrod membranowych. Mimo to potrzebne są dalsze prace, aby zwiększyć trwałość i obniżyć przenikanie paliwa w temperaturach powyżej 120 ºC poprzez optymalizację elektrod i udoskonalenie komponentów ogniw paliwowych. Analizy kosztów i analizy biznesowe wskazują na możliwości zastosowania tych rozwiązań w mikrosystemach kogeneracyjnych oraz jako źródła zasilania awaryjnego w telekomunikacji. Masowa produkcja wysokotemperaturowych PEMFC będzie konkurencyjna na światowym rynku po rozwiązaniu problemów dotyczących trwałości. Materiały ZEOCELL mogą także znaleźć zastosowanie w separacji fazy gazowej i ciekłej, akumulatorach litowo-jonowych, adsorpcji i katalizie, mikroogniwach paliwowych oraz urządzeniach lab-on-chip.
