تکنولوژی سلول سوختی جدید ژاپن به دمای ۲۴۸ درجه فارنهایت با ۴۰ برابر رسانایی می‌رسد
محققان دانشگاه ناگویا به سرپرستی آتسوشی نورو، ماده الکترولیت پلیمری فسفونیک اسید نوآورانه‌ای را معرفی کرده‌اند که به سلول‌های سوختی امکان می‌دهد تا در دماهای بالا (بیش از ۲۱۲ درجه فارنهایت/۱۰۰ درجه سانتی‌گراد) و شرایط کم رطوبت عمل کنند.
این نوآوری چالش‌های مهمی در تکنولوژی سلول‌های سوختی را برطرف کرده و جایگزین پایدارتر برای مواد مرسوم ارائه می‌دهد.
غلبه بر چالش‌های در طراحی سلول سوختی
سلول‌های سوختی به دلیل تولید برق با آب به عنوان تنها محصول جانبی‌شان، به عنوان یک راه‌حل انرژی پاک و امیدبخش شناخته می‌شوند.
با این حال، سلول‌های سوختی سنتی بر پلیمرهای اسید پرفلورو سولفونیک که یک نوع ماده پر و پلی‌فلوئوروآلکیل (PFAS) هستند، متکی هستند. PFAS به دلیل دوام محیطی و تجمع در موجودات زنده شناخته شده‌اند، که منجر به محدودیت‌های نظارتی فزاینده‌ای در سراسر جهان شده است.
تیم تحقیقاتی این نگرانی‌ها را با استفاده از پلیمرهای هیدروکربن فسفونیک اسید که بدون فلوئور و زیست محیطی‌تر هستند، مرتفع کرد. در حالی که این پلیمرها در دماهای بالا و رطوبت کم خوب عمل می‌کنند، ویژگی‌های آبدوستی آن‌ها و محدودیت‌های رسانایی آن‌ها، پذیرش گسترده را مانع شده است.
در محیط‌های مرطوب، آن‌ها به حل شدن مستعد هستند، که مانعی جدی برای استفاده عملی آن‌ها ایجاد می‌کند.
رویکردی جدید برای پایداری و عملکرد
تیم نورو این چالش‌ها را با افزودن فاصله‌دهنده‌های آب‌گریز بین بدنه پلیمر و گروه‌های فسفونیک اسید حل کرد. این فاصله‌دهنده‌ها مقاومت به آب، پایداری شیمیایی و رسانایی را در دماهای بالا و شرایط کم رطوبت بهبود بخشیدند.
ممبران جدید در چندین معیار کلیدی از گزینه‌های موجود بهتر عمل کرد. این ممبران مقاومت بسیار بهتری در برابر آب در شرایط داغ نسبت به ممبران‌های معمولی اسید فسفونیک پلی‌استایرن و ممبران‌های تجاری پلی‌استایرن سولفوناته کراسلینک‌شده نشان داد.
این بدان معنی است که این ماده جدید بسیار کمتر به حل شدن یا شکسته شدن در برابر آب داغ مستعد بود، که آن را به گزینه بسیار بادوام‌تر و قابل اعتمادتر برای سلول‌های سوختی تبدیل می‌کند.
نورو در بیانیه مطبوعاتی گفت: «در شرایط ۲۴۸ درجه فارنهایت (۱۲۰ درجه سانتی‌گراد) و ۲۰٪ رطوبت نسبی، رسانایی ممبران توسعه‌یافته به ۴۰ برابر بیشتر از ممبران اسید فسفونیک پلی‌استایرن و ۴ برابر بیشتر از ممبران پلی‌استایرن سولفوناته کراسلینک‌شده رسید.»
گامی به جلو برای وسایل نقلیه سلول سوختی
مزایای این نوآوری به وسایل نقلیه سلول سوختی گسترش می‌یابد، که می‌توانند بهبودهای عملکرد چشمگیری را ببینند.
نورو در بیانیه مطبوعاتی توضیح داد: «یافتن سلول سوختی که در شرایط کم رطوبت و دماهای بالا عمل می‌کند، بسیاری از مزایا را برای وسایل نقلیه سلول سوختی ارائه می‌دهد.»
وی تأکید کرد که سه مزیت اصلی وجود دارد: اول، دماهای بالاتر باعث تسریع واکنش‌ها در الکترودها می‌شود که کارایی تولید برق را افزایش می‌دهد. دوم، دماهای بالاتر به کاهش مسمومیت مونوکسید کربن الکترودها که در دماهای پایین‌تر متداول است، کمک می‌کند.
در نهایت، دفع حرارت بهبود یافته در دماهای بالاتر طراحی سیستم خنک‌کننده را ساده کرده و نیاز به رطوبت‌دهی خارجی را حذف می‌کند، که باعث سبک‌تر و جمع و جورتر شدن سیستم‌های سلول سوختی می‌شود.
یک نقطه عطف برای انرژی پایدار
این مطالعه توسط سازمان توسعه فناوری نوین انرژی و صنعتی (NEDO) حمایت شد. این مطالعه با نقشه راه NEDO برای توسعه فناوری سلول سوختی و هیدروژن همخوانی دارد و گامی بزرگ به سمت سلول‌های سوختی نسل بعدی و آینده‌ای با کربن صفر است.
درخواست‌های ثبت اختراع برای مواد مربوط به این طراحی الکترولیت نوآورانه در ژاپن و سایر کشورها ثبت شده است.
با پرداختن به چالش‌های کلیدی، این پیشرفت می‌تواند راه را برای پذیرش گسترده‌تر سلول‌های سوختی در وسایل نقلیه و مصارف دیگر هموار کرده و گامی مهم به سمت راه‌حل‌های انرژی پاک‌تر و پایدارتر محسوب شود.
یافته‌ها در ACS Applied Polymer Materials انتشار یافته است.
