پلیمرهای پایدار جدید؛ تحول در سلول سوختی سبز

طراحی نوآورانه الکترولیت‌های سلول سوختی

گروه تحقیقاتی به رهبری آتسوشی نورو در دانشگاه ناگویا در ژاپن، یک مفهوم طراحی جدید برای الکترولیت‌های سلول سوختی معرفی کرده است که از یک پلیمر اسید فسفونی با فاصله‌گذارهای هیدروکربنی استفاده می‌کند. این مفهوم نوآورانه به سلول‌های سوختی این امکان را می‌دهد که تحت شرایط دمای بالا (بیش از ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد) و رطوبت پایین به‌طور مؤثر عمل کنند و موانع مهمی را برای استفاده گسترده‌تر از آن‌ها برطرف سازند. این تحقیق در نشریه ACS Applied Polymer Materials منتشر شده است.

سلول‌های سوختی با واکنش الکتروشیمیایی هیدروژن و اکسیژن برق تولید می‌کنند و تنها آب را منتشر می‌سازند که قابلیت‌های انرژی پاک آن‌ها را نشان می‌دهد. با این حال، پلیمرهای اسید پرفلورو سولفونیک، که نوعی ماده شیمیایی پرفلورو و پلی‌فلورو آلکیلی (PFAS) هستند و به‌طور معمول در سلول‌های سوختی استفاده می‌شوند، با انتقادات زیادی مواجه شده‌اند. وجود PFAS در محیط زیست و انباشت آن‌ها در موجودات زنده، موجب ایجاد تدابیر قانونی در بسیاری از کشورها شده است. در مقایسه با PFAS، پلیمرهای هیدروکربنی اسید فسفونی فاقد فلورین هستند و از این رو احتمال پایداری آن‌ها در محیط کمتر است. این پلیمرها همچنین تحت شرایط دمای بالا و رطوبت پایین، پایداری شیمیایی متوسطی از خود نشان می‌دهند.

با وجود این مزایا، هدایت الکتریکی ضعیف و طبیعت هیدروفیلی گروه‌های اسید فسفونی که آب را جذب می‌کنند، استفاده از آن‌ها را محدود می‌سازد و ممکن است منجر به حل شدن در محیط‌های مرطوب شوند. برای غلبه بر این چالش‌ها، نورو یک فاصله‌گذار هیدروفوبیک بین زنجیره اصلی پلیمر و گروه‌های اسید فسفونی یک پلیمر هیدروکربنی اسید فسفونی معرفی کرد. این کار موجب ناپایداری در آب، پایداری شیمیایی و هدایت الکتریکی متوسط، حتی در دماهای بالا و رطوبت‌های پایین شد. علاوه بر این، فاصله‌گذار هیدروفوبیک به‌طور مؤثری آب را دفع کرده و اطمینان حاصل می‌کند که پایداری ماده حفظ شود.

غشای جدید با قابلیت حل‌ناپذیری بالاتر در آب داغ

غشای جدید نشان‌دهنده قابلیت حل‌ناپذیری به‌مراتب بالاتری در آب داغ نسبت به غشای اسید فسفونی پلی‌استایرن بدون فاصله‌گذارهای هیدروفوبیک و همچنین غشای تجاری پلی‌استایرن سولفوناته متقاطع بود. نرو گفت: “در شرایط 120 درجه سانتی‌گراد و 20 درصد رطوبت نسبی، هدایت‌پذیری غشای توسعه‌یافته به 40 برابر بیشتر از غشای اسید فسفونی پلی‌استایرن و 4 برابر بیشتر از غشای پلی‌استایرن سولفوناته متقاطع رسید.”

نرو ادامه داد: “یافتن یک سلول سوختی که در شرایط رطوبت کم و دماهای بالا کار کند، مزایای زیادی برای خودروهای سلول سوختی به همراه دارد.”

• اولاً، واکنش‌ها در الکترودهای یک سلول سوختی در دماهای بالاتر سریع‌تر پیش می‌روند که عملکرد کلی سلول سوختی را بهبود می‌بخشد و کارایی تولید برق را افزایش می‌دهد.
• دوماً، مسمومیت با مونوکسید کربن (CO) در الکترودها کاهش می‌یابد، زیرا مقادیر جزئی CO در سوخت هیدروژن تمایل دارند در دماهای پایین‌تر به کاتالیزور جذب شوند، اما در دماهای بالاتر این امر اتفاق نمی‌افتد.
• سوم، سلول سوختی از دفع حرارت مؤثرتر در دماهای بالا بهره‌مند می‌شود که طراحی سیستم‌های خنک‌کننده را ساده‌تر و عدم نیاز به رطوبت‌دهی خارجی را ممکن می‌سازد و به سیستم‌های سبک‌تر و فشرده‌تر کمک می‌کند.

این مطالعه از سوی سازمان توسعه فناوری‌های جدید و صنعتی (NEDO) حمایت شده است. بر اساس نقشه‌راه NEDO برای توسعه فناوری‌های سلول سوختی و هیدروژن، مفهوم طراحی پیشنهادی برای غشاهای الکترولیت ارائه‌شده در این مطالعه، سهم بزرگی در توسعه نسل بعدی سلول‌های سوختی دارد که از انتقال به یک جامعه کربن خنثی حمایت می‌کند. درخواست‌های ثبت اختراع برای مواد مرتبط با مفهوم طراحی پیشنهادی در ژاپن و چندین کشور دیگر ارائه شده است.