انقلاب در پیل‌های سوختی: ژاپن غشایی ساخت که آب جوش هم حریفش نیست!

یک جهش نو در طراحی الکترولیت‌های پیل سوختی، از دلِ گروه پژوهشی دانشگاه ناگویا

جمعی از محققان، به رهبری فردی به اسم آتسوشی نورو در دانشگاه ناگویا ژاپن، پرده از یک ایده نوین در طراحی الکترولیت‌های پیل سوختی برداشتند؛ ایده‌ای که در آن از یک مدل طراحی شده با اسید فسفونی پلیمری با فاصله‌اندازهای هیدروکربنی بهره می‌برند. این روش، یک نوآوری جذاب است که به پیل‌های سوختی این امکان را می‌دهد که در دماهای بالا (بالاتر از صد درجه سانتی‌گراد) و رطوبت کم، به شکلی کارآمد به فعالیتشان ادامه دهند، و در این میان، موانع مهمی که سد راه استفاده گسترده‌تر از آن‌ها بود، برداشته شود. نتایج این پژوهش در مجله‌ی ACS Applied Polymer Materials منتشر شد.

پیل‌های سوختی با به کار بستن واکنش الکتروشیمیایی هیدروژن و اکسیژن، برق تولید می‌کنند و تنها محصول جانبی‌شان آب است. همین ویژگی‌ها باعث شده‌است که این تکنولوژی، قابلیت‌های فراوانی در زمینه انرژی‌های پاک داشته باشد. اما مشکل اینجاست که پلیمرهای اسید پرفلوروسولفونیک -که در دسته مواد پر و پلی‌فلوروالکیل (PFAS) قرار دارند- و به‌طور معمول در پیل‌های سوختی استفاده می‌شوند، با انتقادات فراوانی روبه‌رو شده‌اند. وجود PFAS در محیط زیست و انباشت آن‌ها در جانداران، باعث شده در کشورهای زیادی، برای استفاده از این مواد مقررات سختگیرانه‌ای وضع شود.

پژوهشگران دانشگاه ناگویا حین کار روی طراحی‌های نوین برای ساخت الکترولیت‌های پیل سوختی با استفاده از پلیمرهای اسید فسفونی.

در مقابل PFAS، پلیمرهای هیدروکربنی اسید فسفونی، فاقد فلورین‌اند و به همین دلیل، احتمال ماندگاری آن‌ها در محیط زیست بسیار کمتر است. این پلیمرها، در شرایط دمای بالا و رطوبت کم هم، پایداری شیمیایی نسبتاً خوبی از خود نشان می‌دهند. با این وجود، رسانایی الکتریکی ضعیف و ذات آب‌دوست گروه‌های اسید فسفونی که آب را به خود جذب می‌کنند، محدودیت‌هایی را ایجاد کرده و ممکن است در محیط‌های مرطوب، منجر به حل شدن آن‌ها شود.

برای حل این مشکلات، نورو یک فاصله‌انداز آب‌گریز بین ساختار اصلی پلیمر و گروه‌های اسید فسفونی از یک پلیمر هیدروکربنی اسید فسفونی اضافه کرد. این کار سبب شد که این مواد در برابر آب مقاوم‌تر، دارای ثبات شیمیایی و رسانایی الکتریکی مناسبی باشند، حتی در دماهای بالا و رطوبت کم. افزون بر این، فاصله‌انداز هیدروفوبیک، آب را دفع می‌کرد و این‌گونه، پایداری ماده حفظ می‌شد.

نمودار ساختار شیمیایی پلیمرهای جدید اسید فسفونی که دارای فاصله‌اندازهای هیدروکربنی هستند، و شمایلی از انرژی پاك.

غشای تازه؛ مقاوم در برابر آب جوش

غشای جدید، در مقایسه با غشای اسید فسفونی پلی‌استایرن بدون فاصله‌اندازهای هیدروفوبیک و غشای پلی‌استایرن سولفونات متقاطع که در بازار موجود است، حل نشدن بسیار بیشتری را در آب داغ نشان می‌دهد. نورو می‌گوید: «در شرایط 120 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 20 درصد، رسانایی غشای توسعه‌یافته، به 40 برابر بیشتر از غشای اسید فسفونی پلی‌استایرن و 4 برابر بیشتر از غشای پلی‌استایرن سولفونات متقاطع رسید.»

غشای نوینی که برای پیل‌های سوختی توسعه یافته، مقاومت بی‌نظیری در برابر آب داغ دارد و با غشاهای قدیمی مقایسه می‌شود.

نورو در ادامه افزود: «ساخت یک پیل سوختی که در شرایط رطوبت کم و دماهای بالا کار کند، مزایای بسیاری برای خودروهای پیل سوختی دارد. اول، سرعت واکنش‌ها در الکترودهای یک پیل سوختی در دماهای بالاتر افزایش می‌یابد که در نتیجه، عملکرد کلی پیل سوختی بهبود می‌یابد و کارایی تولید برق بالا می‌رود. دوم، مسمومیت ناشی از مونوکسید کربن (CO) در الکترودها کم می‌شود؛ زیرا مقادیر جزئی CO در سوخت هیدروژن تمایل دارند در دماهای پایین به کاتالیست بچسبند، ولی در دماهای بالاتر این اتفاق نمی‌افتد. سوم، پیل سوختی از دفع حرارت مؤثرتری در دماهای بالا بهره‌مند می‌شود که طراحی سامانه‌های خنک‌کننده ساده‌تری را ممکن می‌سازد و نیازی به رطوبت‌دهی خارجی را از بین می‌برد که نتیجه‌اش، سامانه‌های سبک‌تر و کوچک‌تر است.»

این پژوهش با حمایت سازمان توسعه فناوری‌های نوین و صنعتی (NEDO) شکل گرفته است. طبق نقشه راه NEDO برای پیشرفت فناوری پیل سوختی و هیدروژن، طرح پیشنهادی برای غشاهای الکترولیت در این مطالعه، گام بزرگی در جهت پیشرفت نسل بعدی پیل‌های سوختی است که به ایجاد یک جامعه با کربن خنثی کمک می‌کند. درخواست‌های ثبت اختراع برای مواد مرتبط با این طرح در ژاپن و کشورهای دیگر ثبت شده است.