محققان فناوری نوع جدیدی از پیل سوختی ایجاد می کنند

5 آوریل 2023 -توسط کیمبرلی گایگر، دانشگاه فناوری میشیگان

(الف) شماتیک SOFC معمولی، SOFC متخلخل، و CSSFC. (B) عملکرد I-V-P پیکربندی های مختلف پیل سوختی با Ni-BZCYYb به عنوان آند که روی CH4 در دمای 550 درجه سانتی گراد کار می کند. (C) نمودار Arrhenius وابسته به دما از رسانایی یونی اکسیژن الکترولیت های مختلف با یا بدون اصلاح کربنات. (D) نمودارهای DSC از الکترولیت های مختلف در جو Ar. اعتبار: مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم

مانند باتری ها، پیل های سوختی از طریق یک فرآیند الکتروشیمیایی انرژی تولید می کنند. برخلاف باتری ها، آنها خالی نمی شوند و نیازی به شارژ مجدد ندارند. با این حال، مزایای بالقوه پیل‌های سوختی با چالش‌هایی که شامل هزینه، عملکرد و دوام است، جبران می‌شود.

یون هانگ هو، محقق دانشگاه فناوری میشیگان و دو دانشجوی فارغ التحصیل، هانروی سو و وی ژانگ، با این چالش ها، مسیر مرسوم پیل سوختی را با ایجاد رابطی بین الکترولیت و کربنات ذوب شده به عنوان یک کانال فوق سریع برای انتقال یون اکسیژن، تغییر دادند.

هو که دارای کرسی استادی علوم و مهندسی مواد چارلز و کارول مک‌آرتور در دپارتمان علوم مواد است، گفت: «این به ما اجازه داد تا نوع کاملاً جدیدی از پیل سوختی را اختراع کنیم، یک سلول سوخت جامد با ساختار کربناته.

مانند سایر پیل‌های سوختی، CSSFC‌ها طیف گسترده‌ای از کاربردهای بالقوه دارند، از تأمین انرژی برای راه‌اندازی خودروهای  با پیل سوختی و تولید برق خانگی تا کل نیروگاه‌ها. از آنجایی که CSSFC ها در برابر سوخت انعطاف پذیر هستند، دوام و راندمان تبدیل انرژی بالاتری نسبت به سایر انواع پیل های سوختی در دمای عملیاتی پایین تر ارائه می دهند.

انرژی بیشتر پیل‌های سوختی توسط هیدروژن تامین می‌شود که معمولاً از ترکیبات حاوی هیدروژن، اغلب متان، از طریق فرآیندی گران‌قیمت به نام رفرمینگ تولید می‌شود. اما CSSFC توسعه یافته در آزمایشگاه هو می تواند مستقیماً از متان یا سایر سوخت های هیدروکربنی استفاده کند.

هو گفت که انعطاف پذیری سوخت برای کاربردهای تجاری از اهمیت ویژه ای برخوردار است. و عملکرد الکتروشیمیایی پیل سوختی جدید در دمای عملیاتی پایین چندین مزیت دیگر را ارائه می دهد. هو گفت: دمای کار یک پیل سوختی اکسید جامد معمولی معمولاً 800 درجه سانتیگراد یا بالاتر است، زیرا انتقال یون در یک الکترولیت جامد در دمای پایین بسیار کند است. در مقابل، الکترولیت فوق‌ساختار CSSFC می‌تواند انتقال سریع یون را در دمای 550 درجه سانتی‌گراد یا پایین‌تر فراهم کند، حتی تا دمای 470 درجه سانتی‌گراد.

دمای عملیاتی نسبتا پایین کارایی نظری بالا و هزینه های ساخت سلول کمتر را ارائه می دهد. هو گفت که به طور بالقوه ایمن تر از سایر سلول های سوخت جامد است.

آزمایشات روی CSSFC همچنین ولتاژ مدار باز (OCV) بی‌سابقه‌ای را نشان داد که نشان‌دهنده عدم تلفات نشتی جریان و راندمان تبدیل انرژی بالا است.

هو تخمین می زند که بازده سوخت CSSFC می تواند به 60 درصد برسد. در مقایسه، متوسط راندمان سوخت موتورهای احتراقی بین 35 تا 30 درصد است. راندمان سوخت بالاتر CSSFC می تواند منجر به کاهش انتشار دی اکسید کربن در خودروها شود.

این تحقیق در Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.