۸ آگوست ۲۰۲۵ -© دانشگاه کیوشو/یوشیهیرو یامازاکی
محققان دانشگاه کیوشو یک پیل سوختی اکسید جامد (SOFC) با رسانایی پروتون بالا در دمای ۳۰۰ درجه سانتیگراد توسعه داده‌اند که به گذار از سوخت‌های فسیلی کمک می‌کند.
با افزایش تقاضای جهانی انرژی، محققان، صنایع، دولت‌ها و ذینفعان با هم همکاری می‌کنند تا راه‌های جدیدی برای برآوردن این تقاضا ایجاد کنند.
در حالی که پیل‌های سوختی اکسید جامد به دلیل راندمان بالا و طول عمر طولانی خود امیدوارکننده هستند، یکی از معایب اصلی آنها این است که نیاز به کار در دماهای بالا حدود ۷۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد دارند. بنابراین، استفاده از این دستگاه‌ها به مواد مقاوم در برابر حرارت پرهزینه نیاز دارد.
اکنون، محققان دانشگاه کیوشو گزارش داده‌اند که موفق به توسعه یک پیل سوختی اکسید جامد جدید با دمای عملیاتی کارآمد ۳۰۰ درجه سانتیگراد شده‌اند.این تیم انتظار دارد که یافته‌های جدیدشان منجر به توسعه پیل‌های سوختی اکسید جامد کم‌هزینه و کم‌دما شود و کاربرد عملی این دستگاه‌ها را تا حد زیادی تسریع بخشد.
پیل‌های سوختی اکسید جامد چگونه کار می‌کنند؟
برخلاف باتری‌ها که انرژی شیمیایی ذخیره شده را به صورت الکتریسیته آزاد می‌کنند، پیل‌های سوختی سوخت شیمیایی را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می‌کنند و تا زمانی که سوخت تأمین شود، به این کار ادامه می‌دهند.
قلب یک پیل سوختی اکسید جامد، الکترولیت است، یک لایه سرامیکی که ذرات باردار را بین دو الکترود حمل می‌کند.
در پیل‌های سوختی هیدروژنی، الکترولیت یون‌های هیدروژن (معروف به پروتون‌ها) را برای تولید انرژی منتقل می‌کند. با این حال، پیل سوختی برای عملکرد کارآمد باید در دماهای بسیار بالا کار کند.
پروفسور یوشیهیرو یامازاکی از پلتفرم تحقیقات انرژی بین رشته‌ای/فرا رشته‌ای دانشگاه کیوشو، که رهبری این مطالعه را بر عهده داشت، توضیح داد: “کاهش دمای کار به 300 درجه سانتیگراد، هزینه‌های مواد را کاهش می‌دهد و در را به روی سیستم‌های سطح مصرف‌کننده باز می‌کند.” «با این حال، هیچ سرامیکی شناخته‌شده‌ای نمی‌تواند پروتون‌های کافی را با این سرعت در چنین شرایط «گرمایی» حمل کند. بنابراین، ما تصمیم گرفتیم این تنگنا را بشکنیم.»
محققان ترکیبات مختلفی از مواد و ناخالصی‌های شیمیایی را بررسی کرده‌اند – موادی که می‌توانند خواص فیزیکی پیل سوختی اکسید جامد را تغییر دهند. این کار سرعت حرکت پروتون‌ها را از طریق الکترولیت‌ها بهبود می‌بخشد.
یامازاکی گفت: «افزودن ناخالصی‌های شیمیایی می‌تواند تعداد پروتون‌های متحرک عبوری از الکترولیت را افزایش دهد، اما معمولاً شبکه کریستالی را مسدود می‌کند و پروتون‌ها را کند می‌کند. ما به دنبال کریستال‌های اکسیدی بودیم که بتوانند میزبان پروتون‌های زیادی باشند و به آنها اجازه حرکت آزادانه بدهند – تعادلی که مطالعه جدید ما سرانجام به آن دست یافت.»
این تیم دریافت که دو ترکیب، استانات باریم (BaSnO3) و تیتانات باریم (BaTiO3)، هنگامی که با غلظت‌های بالای اسکاندیم (Sc) آلاییده می‌شوند، می‌توانند به رسانایی پروتونی معیار SOFC بیش از 0.01 S/cm در دمای 300 درجه سانتیگراد دست یابند، سطحی از رسانایی که با الکترولیت‌های SOFC رایج امروزی در دمای 600-700 درجه سانتیگراد قابل مقایسه است.
یامازاکی اظهار داشت: “داده‌های دینامیک شبکه همچنین نشان داد که BaSnO3 و BaTiO3 ذاتاً “نرم‌تر” از مواد SOFC معمولی هستند و به آنها اجازه می‌دهند Sc بسیار بیشتری از آنچه قبلاً تصور می‌شد، جذب کنند.”
این یافته‌ها، بده‌بستان بین سطح دوپانت و انتقال یون را لغو می‌کنند و مسیر روشنی را برای پیل‌های سوختی اکسید جامد کم‌هزینه و با دمای متوسط ارائه می‌دهند.
یامازاکی نتیجه گرفت: “فراتر از پیل‌های سوختی، همین اصل را می‌توان برای سایر فناوری‌ها، مانند الکترولیزکننده‌های دمای پایین، پمپ‌های هیدروژن و راکتورهایی که CO₂ را به مواد شیمیایی ارزشمند تبدیل کنید و در نتیجه تأثیر کربن‌زدایی را چند برابر کنید. کار ما یک پارادوکس علمی دیرینه را به یک راه‌حل عملی تبدیل می‌کند و انرژی هیدروژنی مقرون‌به‌صرفه را به زندگی روزمره نزدیک‌تر می‌کند.»
