Design of Novel Composite Polyelectrolyte Membranes for Fuel Cell Applications

Výzva	Štipendiá pre excelentných výskumníkov a výskumníčky R2-R4
Hlavný riešiteľ	Randa Ghonim
Prijímateľ	Ústav polymérov Slovenskej akadémie vied
Celkový rozpočet	148 306,80 €
Príspevok poskytovateľa	148 306,80 €
Zdroj financovania	Plán obnovy a odolnosti
Začiatok realizácie	november 2024
Koniec realizácie	august 2026
Kategória výskumníka	R2
Vedná oblasť	Fyzikálne, technické vedy a matematika

Anotácia

Využívanie obnoviteľnej a udržateľnej energie sa považuje za kľúčovú úlohu našej spoločnosti pri riešení krízy tradičnej fosílnej energie a znečistení životného prostredia. Palivové články s membránou z polymérneho elektrolytu (PEMFC) sa ukazujú ako sľubné zdroje energie pre budúcnosť, vďaka ich vysokej účinnosti, vysokej energetickej hustote, modulárnej konštrukcii, nízkym prevádzkovým teplotám a schopnosti rýchleho spustenia. Je však veľa faktorov, ktoré bránia komercializácii PEMFC. Bez ohľadu na odolnosť, výkon, a prevádzkovú teplotu, zníženie výrobných nákladov musí zahŕňať lacnejší materiál, najmä pokiaľ ide o Nafionové membrány, obsah platinového katalyzátora a zjednodušenie usporiadania membránovej elektródy výrobným procesom zníženia počtu krokov spracovania. Preto vedecká komunita zamerala svoje úsilie na vývoj vysokovýkonných polymérnych membrán ako protónové výmenné membrány pre aplikácie palivových článkov. Najmä vysoká vodivosť pri rôznych úrovniach vlhkosti a teploty a zvýšená chemická a mechanická stabilita v prevádzkových podmienkach, sa považuje za hlavné ciele, ktoré je potrebné dosiahnuť. Membrány s kompozitnou matricou na báze vodivých polymérov a anorganických plnív sa bežne používané na výrobu materiálov s vylepšenými vodivými a mechanickými vlastnosťami, kvôli ich vysokej pórovitosti a aktívnej ploche. V tomto projekte sa plánuje využiť vďaka svojim vynikajúcim vlastnostiam, akými sú nízka cena, dostupnosť, biologická odbúrateľnosť, šetrnosť k životnému prostrediu a vynikajúce mechanické vlastnosti nová vodivá polymérna membrána na báze funkcionalizovaného polyvinylalkoholu a modifikovaných derivátov acetátu celulózy. Ako plnivo sa použijú funkcionalizované deriváty grafén oxidu (ako kvantové grafénové bodky alebo sulfónovaný grafén) alebo kovovo-organické štruktúry (ako ZIF-8 a UIO-66), ktoré sa zabudujú do membrán na zlepšenie ich vodivosti a výkonu. Vyvinuté kompozitné membrány sa charakterizujú pomocou fyzikálnochemických metód ako FTIR, SEM, XPS, TGA, DSC, XRD a TEM. Ďalej sa budú skúmať mechanické vlastnosti, tepelná oxidačná stabilita, rozmerová stabilita, chemická stabilita, kontaktný uhol, absorpcia rozpúšťadla (voda a metanol), ale aj permeabilita, selektivita a vodivosť. Zároveň sa budú optimalizovať faktory ovplyvňujúce procesy syntézy. Na záver sa zmerajú a porovnajú elektrochemické merania (t.j. polarizačné krivky) a výkon palivových článkov so štandardnými membránami z komerčného Nafionu. Navrhovaný projekt má priniesť nové, jednoduché, vysokovýkonné a lacné polyelektrolytové membrány s významným potenciálom pre palivové články