Rapport från Workshopen: Ion Exhange Membranes for Energy Applications (EMEA) i Bad Zwischenahn, Tyskland 27-29 juni 2016

skrivet av Rakel Wreland Lindström och Annika Carlson, KTH
Workshopen samlade runt 70 deltagare i huvudsak från forskningsfälten bränsleceller och flödesbatterier. Från Sverige var Prof Jannasch med doktorander från Lunds Universitet och Dr Wreland Lindström med doktorand från KTH representerade.
De flesta bidrag behandlade prestanda och hållbarhet av alkaliska membranelektrolyter för bränsleceller (Anion Exchange Membrane Fuel Cells, AEMFC). Utvecklingen av alkaliska membran har gått starkt framåt de senaste åren. Flera grupper, inklusive Prof Jannasch grupp, arbetar med att studera hur polymerens kemiska struktur påverkar dess egenskaper. Genom att systematiskt variera exempelvis sidokedjans längd, antalet joniska grupper och deras placering eller huvudkedjans struktur har man kunnat identifiera vad som är viktigt för att skapa en så bra polymer som möjligt. Målet är att framställa mekaniskt stabila material med hög jonledningsförmåga, dvs med hög densitet joniska grupper i polymeren (ion exchange capacity, IEC), som även fungerar vid låg fuktighet och där jonomeren inte sväller för mycket. Jannasch höll en presentation och flera av hans doktorander hade postrar som presenterade påverkan av ovan nämnda parametrar.
Mycket forskning pågår även kring polymerens livslängd. Ett stort problem hos alkaliska membraner är just att de inte är lika hållbara som de protonledande i PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells) eftersom de flesta polymerer inte tål alkalisk miljö. Flera arbeten handlade just om nedbrytningsmekanismer och hur de kan undvikas. Genom att skydda känsliga bindningar som lätt kan klyvas med en struktur som hindrar att hydroxidjonerna kommer intill, exempelvis genom placeringen av joniska grupper i polymeren, kan nedbrytning undvikas. Generellt är inte heller alkaliska membran lika värmetåliga som sura, men de senaste åren har flera nya polymerer tagits fram som tål temperaturer upp till 80°C.
Flera studier behandlade vatten- och jontransporten i membranen och hur den kan mätas. Eftersom vatten är en reaktant i syrgasreduktionen på katodsidan, men bildas i vätgasreaktionen på anodsidan är vattenhanteringen i cellen svårare att lösa i AEMFC än för PEMFC. Det finns stor risk för uttorkning i katoden och översvämning i anoden. För mycket vatten leder till att jonomeren i elektroden sväller vilket hindrar transporten av reaktanter och produkter till och från katalysatorn. Uttorkning å andra sidan leder till lägre jonledningen i jonomeren. Detta bör man troligtvis ta hänsyn till i valet av jonomer för de två elektroderna för bästa möjliga prestanda. Till skillnad från PEMFC där samma polymer används för elektroder och membran är det sannolikt en fördel att välja olika polymerer för AEMFC. Genom en optimal kombination kan troligtvis bättre prestanda erhållas för systemen. Prof Varcoes grupp från Surrey University, UK, har nyligen kunnat mäta strömtätheter upp till 2 A/cm2 vid 0,8 V med ett membran baserat på ETFE och en mycket lovande metod att göra de porösa elektroderna.
Annika Carlson, KTH, visade resultat från en studie där hon optimerat elektrodsammansättningen med avseende på jonomer- och katalysatorförhållandet. Även inverkan av lösningsmedlet i elektodbläcket, från vilket den porösa elektroden bereds, och hur det påverkar elektrodens homogenitet och struktur var med i studien som presenterades med en poster.