Našli spôsob ako zvýšiť výkon vodíkových palivových článkoch až o polovicu
Drážky v type vodíkových palivových článkov, ktoré budú s najväčšou pravdepodobnosťou poháňať vozidlá, môžu zvýšiť výkon týchto zariadení až o 50 percent. Uvádza sa to v novej štúdii, ktorá bola publikovaná v časopise Nature Energy. Palivový článok premieňa chemickú energiu uloženú v palivách, ako je vodík, na elektrickú energiu. Funguje to tak, že palivo reaguje s kyslíkom alebo iným oxidačným činidlom, ktoré môže z paliva odobrať elektróny. Palivové články majú dve elektródy – anódu, na ktorej sa palivo oxiduje alebo stráca elektróny, a katódu, na ktorej sa oxidačné činidlo redukuje alebo získava elektróny.
Palivové články využívajúce vodík sú veľkým prísľubom ako čisté a účinné zdroje energie. Keď vodík reaguje s kyslíkom v palivových článkoch na výrobu elektrickej energie, namiesto toho, aby produkoval znečisťujúce látky ako fosílne palivá, výsledkom je jednoducho voda. Podľa amerického ministerstva energetiky sú najlepšími palivovými článkami na pohon automobilov články s polymérnou elektrolytovou membránou (PEM), nazývané aj palivové články s protónovou výmennou membránou. Tieto články využívajú ako elektrolyt medzi palivom a okysličovadlom polymérnu membránu, ktorá vedie protóny a pomáha prenášať elektrický náboj v rámci palivového článku.
Výskumníci v novej štúdii uvádzajú, že ťažká nákladná doprava poskytuje pre palivové články s PEM obzvlášť sľubné príležitosti. Použitie batérií na pohon týchto vozidiel je pomerne náročné, pretože vyžadujú dlhý dojazd, rýchle tankovanie, nízku hmotnosť a malé rozmery. Vedci zistili, že pridaním drážok do palivových článkov s PEM možno zlepšiť ich výkon až o 50 % v porovnaní s najmodernejšími bežnými elektródami za štandardných prevádzkových podmienok.
Elektródy palivových článkov s PEM sa spravidla skladajú z platinového katalyzátora na uhlíkovom nosiči a iónovo vodivých polymérov, známych ako ionoméry, ktoré sú zmiešané v suspenzii atramentu a nanesené na membránu alebo inú štruktúru ako porézna elektróda. Tým sa vytvorí náhodná štruktúra elektródy so zložitou sieťou úzkych pórov podobnou bludisku, ktorá obmedzuje prietok v palivovom článku. Výskumníci poznamenávajú, že táto štruktúra zostala z veľkej časti rovnaká už viac ako 30 rokov.
Naproti tomu nové elektródy majú hrebene katalyzátora naplnené ionomérmi oddelené prázdnymi drážkami. Hrebene zlepšujú transport protónov, zatiaľ čo drážky zároveň pomáhajú prietoku kyslíka. V konvenčných elektródach palivových článkov PEM môže vysoký obsah ionoméru zlepšiť transport protónov, ale zvyčajne aj obmedzuje tok kyslíka. Oddelením toku protónov a kyslíka pozdĺž drážok a hrebeňov pomáhajú nové elektródy zlepšiť transport oboch. To tiež pomáha udržať rovnomernú rýchlosť reakcie v palivovom článku, čím sa zvyšuje výkonnosť katalyzátora.
Vedci vyrobili nové elektródy uložením zmesi platinového katalyzátora na uhlíkovom nosiči a ionoméru do vzorovanej silikónovej šablóny. Potom nasledoval prenos na membránu vyrobenú z bežného polymérneho elektrolytu, známeho ako Nafion. Experimentovali s elektródami s drážkami širokými 1 až 2 mikrometre a drážky sa na elektródach opakovali každých 3 až 6 µm. Čím užšie boli drážky a kratšie vzdialenosti medzi nimi, tým lepší bol výkon. Najvýkonnejšie drážkované elektródy boli takisto výrazne odolnejšie ako bežné elektródy, pričom po 500 cykloch aktivity vykazovali o 170 percent vyššiu prúdovú hustotu.
Výskumníci poznamenávajú, že póry v bežných elektródach sa v dôsledku korózie časom rozpadnú, čo brzdí ich výkon. Naproti tomu štruktúry drážkovaných elektród zostali relatívne neporušené. Analýza pomocou strojového učenia naznačila, že existuje veľký potenciál na ďalšiu optimalizáciu drážkovaných elektród. Vedci napríklad zistili, že rozšírenie a prehĺbenie drážok by mohlo ďalej zvýšiť výkon o 36 % v porovnaní s najlepšími testovanými drážkovanými elektródami, hoci na potvrdenie týchto zistení sú potrebné lepšie výrobné metódy.
Zdroj: spectrum.ieee.org.
