پیشرفت بزرگ در پلیمرهای سوختی سازگار با محیط زیست

طراحی نوین الکترولیت‌های سلول سوختی توسط گروه تحقیقاتی دانشگاه ناگویا

گروهی از محققان به رهبری آتسوشی نورو در دانشگاه ناگویا در ژاپن، یک مفهوم طراحی جدید برای الکترولیت‌های سلول سوختی معرفی کرده‌اند که از یک پلیمر اسید فسفونی با فاصله‌گذارهای هیدروکربنی استفاده می‌کند. این مفهوم نوآورانه به سلول‌های سوختی اجازه می‌دهد تا در 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 نمایند. 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 به عنوان محصول جانبی آزاد می‌سازند که نشان‌دهنده قابلیت‌های انرژی پاک آن‌هاست. با این حال، پلیمرهای اسید پرفلوروسولفونیک، که نوعی ماده پر و پلی‌فلوروالکیل (PFAS) محسوب می‌شوند 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 اتخاذ تدابیر نظارتی در بسیاری از کشورها شده است.

برخلاف PFAS، پلیمرهای هیدروکربنی اسید فسفونی فاقد فلورین هستند و به همین دلیل احتمال پایداری آن‌ها در محیط کمتر است. این پلیمرها همچنین در شرایط دمای بالا و رطوبت پایین، ثبات 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 می‌کند و ممکن است در محیط‌های مرطوب منجر به حل شدن آن‌ها شود.

برای غلبه بر این چالش‌ها، نورو یک فاصله‌گذار هیدروفوبیک بین ساختار اصلی پلیمر و گروه‌های اسید فسفونی یک پلیمر هیدروکربنی اسید فسفونی معرفی کرد. این اقدام باعث شد که این مواد در برابر آب غیرحل شونده، دارای ثبات شیمیایی و هدایت الکتریکی متوسطی باشند، حتی در دماهای بالا و رطوبت‌های پایین. علاوه بر این، فاصله‌گذار هیدروفوبیک به‌طور مؤثری آب را دفع کرد و اطمینان حاصل کرد که ثبات ماده حفظ شود.

غشای جدید با قابلیت حل نشدن در آب داغ

غشای جدید نشان‌دهنده حل نشدن به طور قابل توجهی در آب داغ نسبت به غشای اسید فسفونی پلی‌استایرن بدون فاصله‌گذارهای هیدروفوب و غشای تجاری پلی‌استایرن سولفوناته متقاطع است. نرو گفت: “در شرایط 120 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 20 درصد، 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 پایین و دماهای بالا کار می‌کند، مزایای زیادی برای خودروهای سلول سوختی به همراه دارد. اول، واکنش‌ها در الکترودهای یک سلول سوختی در دماهای بالاتر سریع‌تر پیش می‌روند و در نتیجه، عملکرد کلی سلول سوختی بهبود می‌یابد و کارایی تولید برق افزایش می‌یابد. دوم، مسمومیت با مونوکسید کربن (CO) در الکترودها کاهش می‌یابد، زیرا مقادیر جزئی CO در سوخت هیدروژن تمایل دارند در دماهای پایین به کاتالیست جذب شوند، اما در دماهای بالاتر این اتفاق نمی‌افتد. سوم، سلول سوختی از دفع حرارت مؤثرتر در دماهای بالا بهره‌مند می‌شود که طراحی سیستم‌های خنک‌کننده ساده‌تری را ممکن می‌سازد و نیاز به رطوبت‌دهی خارجی را از بین می‌برد که نتیجه آن سیستم‌های سبک‌تر و فشرده‌تر است.”

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