Membran Sel Bahan Bakar Berkelanjutan Baru Mengatasi Hambatan Utama Lingkungan
Peneliti di[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>Nagoya University developed a phosphonic acid polymer with hydrophobic spacers for fuel cell electrolytes, enabling high-temperature, low-humidity operation.
A research group led by Atsushi Noro at Nagoya University in Japan has introduced a groundbreaking design for fuel cell electrolytes, featuring a phosphonic acid polymer with hydrocarbon spacers. This innovative approach enables fuel cells to function efficiently at high temperatures (above 100°C) and low humidity, overcoming significant barriers to widespread adoption. The findings were published in the journal ACS Applied Polymer Materials.
Fuel cells generate electricity by electrochemically combining hydrogen and oxygen, producing only water as a byproduct, making them a clean energy solution. However, the use of perfluorosulfonic acid polymers—classified as per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS)—in conventional fuel cells has raised concerns. These substances persist in the environment and accumulate in living organisms, leading to regulatory restrictions in many countries.
Kelebihan dan Tantangan Polimer Asam Fosfonat
Berbeda dengan PFAS, polimer hidrokarbon asam fosfonat tidak mengandung fluor, sehingga kecil kemungkinannya untuk bertahan di lingkungan. Polimer ini juga menunjukkan stabilitas kimia yang moderat pada kondisi suhu tinggi dan kelembaban rendah. Terlepas dari kelebihan ini, konduktivitas yang buruk dan sifat hidrofilik gugus asam fosfonat, yang menarik air, membatasi penggunaannya, sehingga berpotensi menyebabkan pelarutan di lingkungan lembab.
Untuk mengatasi tantangan ini, Noro memperkenalkan penjarak hidrofobik antara tulang punggung polimer dan gugus asam fosfonat dari polimer hidrokarbon asam fosfonat. Hal ini memungkinkan ketidaklarutan air, stabilitas kimia, dan konduktivitas moderat, bahkan pada suhu tinggi dan kelembaban rendah. Selain itu, penjarak hidrofobik secara efektif menolak air, memastikan stabilitas material tetap terjaga.
Peningkatan Kinerja Membran
Membran baru ini menunjukkan ketidaklarutan air yang jauh lebih tinggi dalam air panas dibandingkan dengan polistirena membran asam fosfonat tanpa spacer hidrofobik dan membran polistiren tersulfonasi ikatan silang yang tersedia secara komersial.
“Dalam kondisi 120°C dan kelembaban relatif 20%, konduktivitas membran yang dikembangkan mencapai 40 kali lebih tinggi dari membran asam polistiren fosfonat dan 4 kali lebih tinggi dari membran polistiren tersulfonasi ikatan silang,” kata Noro.
“Menemukan sel bahan bakar yang beroperasi dalam kondisi kelembapan rendah dan suhu tinggi menawarkan banyak keuntungan bagi kendaraan sel bahan bakar,” lanjut Noro. “Pertama, reaksi pada elektroda sel bahan bakar berlangsung lebih cepat pada suhu yang lebih tinggi, sehingga meningkatkan kinerja sel bahan bakar secara keseluruhan dan meningkatkan efisiensi pembangkitan listrik. Kedua, berkurangnya keracunan karbon monoksida (CO) pada elektroda, karena sejumlah kecil CO dalam bahan bakar hidrogen cenderung teradsorpsi ke katalis pada suhu yang lebih rendah, namun tidak pada suhu yang lebih tinggi. Ketiga, sel bahan bakar mendapat manfaat dari pembuangan panas yang lebih efisien pada suhu tinggi, memungkinkan desain sistem pendingin yang lebih sederhana dan tidak ada pelembapan eksternal, sehingga memungkinkan sistem yang lebih ringan dan kompak.”
Penelitian ini mendapat dukungan dari Organisasi Pengembangan Energi Baru dan Teknologi Industri (NEDO). Menurut Peta Jalan NEDO untuk Pengembangan Teknologi Sel Bahan Bakar dan Hidrogen, usulan konsep desain membran elektrolit yang disajikan dalam penelitian ini menandai kontribusi besar dalam pengembangan sel bahan bakar generasi mendatang yang mendukung peralihan menuju masyarakat nol karbon. Permohonan paten untuk material terkait dengan konsep desain yang diusulkan telah diajukan di Jepang dan beberapa negara lainnya.
Referensi: “Membran Elektrolit Polimer Polistiren dengan Gugus Alkilefosfonat Berikatan Langsung pada Rantai Samping” oleh Takenori Nakayama, Takato Kajita, Mio Nishimoto, Haruka Tanaka, Katsumi Sato, Mayeesha Marium, Albert Mufundirwa, Hiroyuki Iwamoto dan Atsushi Noro, 10 Desember 2024, Bahan Polimer Terapan ACS.
DOI: 10.1021/acsapm.4c02688
