27 ژوئن 2023 – توسط برایان کینان، آزمایشگاه ملی لس آلاموس
طراحی الکترود شیاردار، انتقال اکسیژن و پروتون‌ها را به ترتیب به شیارها و برجستگی‌های جداگانه تقسیم می‌کند و حرکت سریع‌تر هر دو گونه را ممکن می‌سازد و در نتیجه عملکرد پیل سوختی بالاتری دارد. اعتبار: انرژی طبیعت (2023). DOI
فناوری نویدبخش پیل سوختی هیدروژنی تا 50 درصد عملکرد بالاتری نسبت به فناوری پیشرفته فعلی دارد و دوام آن بهبود یافته است. پیشرفت طراحی الکترود شیاردار ممکن است به بهینه‌سازی فناوری سلول‌های سوختی نسل بعدی برای تامین انرژی حمل‌ونقل متوسط و سنگین بدون انتشار کمک کند.
جاکوب اسپندلو، دانشمند مواد با تیم آزمایشگاه ملی لوس آلاموس که نتایج آن را در مجله Nature Energy تشریح کرد، می‌گوید: «ما نظریه‌ای داشتیم که با بازبینی نحوه طراحی الکترودها می‌توانیم به عملکرد بهتری دست یابیم.یکی از بزرگترین دستاوردهای ما این است که مواد جدید تنها راه برای بهبود عملکرد نیستند. نحوه چیدمان مواد می تواند به همان اندازه مهم باشد.
تمام کاری که ما انجام دادیم این بود که مواد معمولی در دسترس تجاری را انتخاب کردیم و نحوه چیدمان آنها را برای تغییر معماری در مقیاس کوچک تغییر دادیم و این منجر به عملکرد بسیار بالاتری شد.
سلول‌های سوختی هیدروژنی – و به‌ویژه نسخه‌ای از فناوری به نام سلول‌های سوختی غشای تبادل پروتون – طراحی موتور بدون انتشار را نشان می‌دهد که از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می‌کند. سلول های سوختی می توانند بخش حمل و نقل متوسط و سنگین را متحول کنند، که کربن زدایی آن دشوار بوده است.
طراحی باعث افزایش کارایی و دوام می شود
در یک دستگاه پیل سوختی، هیدروژن و اکسیژن به صورت الکتروشیمیایی واکنش داده می شوند تا جریان الکتریکی تولید شود که قادر به تامین انرژی یک دستگاه خارجی مانند یک موتور الکتریکی است. واکنش های الکتروشیمیایی در الکترودهای پیل سوختی رخ می دهد که شامل یک کاتالیزور مبتنی بر پلاتین برای فعال کردن واکنش و یک پلیمر رسانای یون (یونومر) برای انتقال پروتون های مورد نیاز برای تکمیل واکنش است.
اسپندلو و همکارانش یک طراحی الکترود شیاردار ایجاد کردند که کارایی انتقال اکسیژن و پروتون از طریق دستگاه را بهبود می بخشد. این تیم این دستگاه را در مرکز آزمایشگاه یکپارچه نانوتکنولوژی‌ها با استفاده از فوتولیتوگرافی و حکاکی عمیق یونی در مقیاس میکرومتر (یک هزارم یک میلی‌متر) برای الگوبرداری از الگوهای سیلیکونی برای ساخت الکترود ساختند. الکترود حاصل از برجستگی های کاتالیزوری با محتوای یونومر بالا تشکیل شده است که توسط شیارهای خالی جدا شده اند، که پروتون ها و اکسیژن از آنها به عنوان مسیرهایی برای حرکت موثرتر در سیستم استفاده می کنند.
تشخیص این تیم، همراه با مدل‌سازی و شبیه‌سازی چندفیزیکی، انتقال اکسیژن بهبود یافته را نشان داد. یادگیری ماشین همچنین فرصت هایی را برای هدایت محاسبات مدل سازی چند فیزیک ارائه می دهد و در زمان محاسبات صرفه جویی می کند. قابل توجه است که ، الکترودهای شیاردار نیز دوام را حتی پس از خوردگی کربن بهبود بخشیدند.
تاریخچه نوآوری
رویکرد الکترود شیاردار یکی از چندین طرح جدید پیل سوختی است که برنامه پیل سوختی Los Alamos بر روی آن آغاز شده است.
اسپندلو گفت: “مجموعه الکترود غشای سلول سوختی اصلی بیش از 30 سال پیش در لوس آلاموس اختراع شد، اما طراحی پیل سوختی که امروزه استفاده می شود به سختی تغییر کرده است.” این الکترود شیاردار یکی از اولین الکترودهای جایگزینی است که می تواند جایگزین الکترود تاریخی لوس آلاموس شود.
تیم پیل سوختی به توسعه طراحی الکترود شیاردار ادامه خواهد داد، به ویژه به دنبال مشارکت در تحقیق و توسعه خاص تولید است. افزایش مقیاس ساخت برای استقرار آن در یک مرکز تولید رول به رول، با تولید پرسرعت و کم هزینه، یک هدف بلند مدت است.
