پیل‌های سوختی انقلابی ژاپن: الکترولیت جدید که آینده انرژی پاک را می‌سازد!

طراحی نوین الکترولیت‌ها برای پیل‌های سوختی

گروهی از محققان به سرپرستی دانشمند ارشد، آتسوشی نورو، از دانشگاه ناگویا در ژاپن، یک رویکرد خلاقانه برای طراحی الکترولیت‌های پیل سوختی ارائه داده‌اند. این روش بر پایه استفاده از یک پلیمر اسید فسفونی با واسطه‌های هیدروکربنی بنا شده است. این نوآوری، پیل‌های سوختی را قادر می‌سازد تا در دماهای بالا (فراتر از ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد) و رطوبت کم، به شکل موثری کار کنند، که این امر می‌تواند مانع‌های مهمی را از سر راه گسترش این فناوری بردارد. نتایج این پژوهش در نشریه ACS Applied Polymer Materials به چاپ رسیده است.

پیل‌های سوختی با یک واکنش الکتروشیمیایی بین هیدروژن و اکسیژن، برق تولید می‌کنند و تنها محصول فرعی آن‌ها آب است. این ویژگی، نشان‌دهنده پتانسیل بالای آن‌ها در تولید انرژی پاک است. اما پلیمرهای اسید پرفلورو سولفونیک که نوعی ماده شیمیایی حاوی ترکیبات پرفلورو و پلی‌فلوئورو آلکیلی (PFAS) هستند و معمولاً در پیل‌های سوختی به کار می‌روند، با انتقادهای زیادی مواجه شده‌اند. وجود PFAS در محیط زیست و تجمع آن‌ها در بدن موجودات زنده، باعث وضع قوانین سخت‌گیرانه در بسیاری از کشورها شده است. در مقایسه با PFAS، پلیمرهای هیدروکربنی اسید فسفونی فاقد فلورین هستند، در نتیجه، احتمال ماندگاری آن‌ها در محیط زیست کمتر است. این پلیمرها همچنین، در شرایط دمای بالا و رطوبت کم، پایداری شیمیایی قابل قبولی از خود نشان می‌دهند.

به رغم این مزایا، هدایت الکتریکی ضعیف و گرایش هیدروفیلی گروه‌های اسید فسفونی (یعنی تمایل آن‌ها به جذب آب)، استفاده از آن‌ها را محدود کرده و می‌تواند باعث انحلال آن‌ها در محیط‌های مرطوب شود. برای غلبه بر این مسائل، نورو یک ماده جداکننده آب‌گریز را بین زنجیره اصلی پلیمر و گروه‌های اسید فسفونی در پلیمر هیدروکربنی اسید فسفونی قرار داد. این کار منجر به مقاومت بیشتر در برابر آب، پایداری شیمیایی بهتر و هدایت الکتریکی مناسب، حتی در دماهای بالا و رطوبت کم شد. افزون بر این، این ماده جداکننده آب‌گریز، به طور موثری آب را دفع می‌کند و از حفظ ساختار پلیمر اطمینان حاصل می‌کند.

غشای نوآورانه با حلالیت کمتر در آب داغ

غشای جدید، حلالیت بسیار کمتری را در آب داغ در مقایسه با غشای اسید فسفونی پلی‌استایرن بدون مواد جداکننده آب‌گریز و همچنین غشای تجاری پلی‌استایرن سولفونات پیوندی از خود نشان داد. نورو می‌گوید: «در شرایط 120 درجه سانتی‌گراد و 20 درصد رطوبت نسبی، هدایت غشای توسعه یافته به 40 برابر بیشتر از غشای اسید فسفونی پلی‌استایرن و 4 برابر بیشتر از غشای پلی‌استایرن سولفونات پیوندی بود.»

نورو ادامه می‌دهد: «یافتن یک پیل سوختی که در شرایط رطوبت کم و دمای بالا کار کند، مزایای متعددی برای خودروهای پیل سوختی دارد.»

• اولاً، واکنش‌ها در الکترودهای یک پیل سوختی در دماهای بالاتر سریع‌تر انجام می‌شوند که کارایی کلی پیل سوختی را افزایش داده و بازده تولید برق را بهبود می‌بخشد.
• ثانیاً، مسمومیت با مونوکسید کربن (CO) در الکترودها کاهش می‌یابد. زیرا مقادیر کمی CO که در سوخت هیدروژن وجود دارد، در دماهای پایین‌تر به کاتالیزور جذب می‌شوند، در حالی که در دماهای بالاتر این اتفاق نمی‌افتد.
• ثالثاً، پیل سوختی از دفع گرما به شکل موثرتری در دماهای بالا بهره‌مند می‌شود. این امر، طراحی سیستم‌های خنک‌کننده را ساده‌تر کرده و نیاز به مرطوب‌سازی خارجی را از بین می‌برد، که این موارد به سیستم‌های سبک‌تر و کوچک‌تر کمک می‌کند.

این پژوهش با حمایت مالی سازمان توسعه فناوری‌های نوین و صنعتی (NEDO) انجام شده است. با توجه به برنامه راهبردی NEDO برای توسعه فناوری‌های پیل سوختی و هیدروژن، مفهوم طراحی ارائه شده برای غشاهای الکترولیت در این تحقیق، نقش مهمی در توسعه نسل بعدی پیل‌های سوختی دارد که از گذار به یک جامعه بدون کربن حمایت می‌کند. درخواست‌های ثبت اختراع برای مواد مرتبط با این روش طراحی نوین، در ژاپن و چندین کشور دیگر ثبت شده است.