Nový design palivových článků s vysokou hustotou výkonu nabízí lepší výkon a odolnost
Slibná nová technologie vodíkových palivových článků má až o 50 % vyšší výkon než současná nejmodernější technologie a má zlepšenou odolnost. Pokrok v konstrukci drážkované elektrody může pomoci optimalizovat technologii palivových článků nové generace pro pohon střední a těžké dopravy bez emisí.
"Měli jsme teorii, že přehodnocením způsobu, jakým jsou elektrody navrženy, bychom mohli dosáhnout lepšího výkonu," řekl Jacob Spendelow, materiálový vědec z týmu Los Alamos National Laboratory, který své výsledky popsal v časopise Nature Energy. „Jedním z našich největších poznatků je, že nové materiály nejsou jedinou cestou ke zlepšení výkonu. Stejně důležitý může být způsob, jakým jsou materiály sestaveny.
"Všechno, co jsme udělali, bylo vzít konvenční komerčně dostupné materiály a změnit způsob, jakým je spojujeme, abychom změnili architekturu v mikroměřítku, což vedlo k podstatně vyššímu výkonu."
Vodíkové palivové články – a konkrétně verze technologie nazývané palivové články s protonovou výměnnou membránou – představují bezemisní konstrukci motoru, který jako palivo využívá vodík. Palivové články by mohly transformovat sektor středně těžké a těžké dopravy, který bylo obtížné dekarbonizovat.
Design podporuje účinnost a odolnost
V zařízení s palivovými články vodík a kyslík reagují elektrochemicky za vzniku elektrického proudu schopného napájet externí zařízení, jako je elektromotor. Elektrochemické reakce probíhají v elektrodách palivových článků, které zahrnují katalyzátor na bázi platiny umožňující reakci a iontově vodivý polymer (ionomer) pro transport protonů potřebných k dokončení reakce.
Spendelow a kolegové vyvinuli konstrukci drážkované elektrody, která zlepšuje účinnost, s jakou jsou kyslík a protony transportovány zařízením. Tým vyrobil zařízení v Laboratoři Centru pro integrované nanotechnologie pomocí fotolitografie a hlubokého reaktivního iontového leptání v mikrometrickém měřítku (tisícina jednoho milimetru) k vytvoření vzoru silikonových šablon pro výrobu elektrod. Výsledná elektroda se skládá z hřebenů katalyzátoru s vysokým obsahem ionomerů oddělených prázdnými drážkami, které protony a kyslík využívají jako cesty k efektivnějšímu pohybu systémem
Diagnostika týmu v kombinaci s multifyzikálním modelováním a simulacemi prokázala zlepšený transport kyslíku. Strojové učení také nabídlo příležitosti k vedení výpočtů multifyzikálního modelování, což ušetřilo výpočetní čas. Je pozoruhodné, že drážkované elektrody také zlepšily životnost, a to i po korozi uhlíku.
Historie inovací
Přístup s drážkovanou elektrodou je jedním z několika nových návrhů palivových článků, na kterých se program palivových článků v Los Alamos pustil.
"Původní sestava membránových elektrod palivového článku byla vynalezena v Los Alamos před více než 30 lety, ale dnes používaný design palivového článku se téměř nezměnil," řekl Spendelow. "Tato drážkovaná elektroda je jednou z prvních alternativních elektrod, které mohou nahradit historickou elektrodu Los Alamos."
Tým palivových článků bude pokračovat ve vývoji designu drážkované elektrody, zejména se snaží zapojit do výzkumu a vývoje specifického pro výrobu. Dlouhodobým cílem je rozšířit výrobu a nasadit ji ve výrobním závodě roll-to-roll s vysokorychlostní a nízkonákladovou výrobou.
Přiložené soubory:
- Drážkovaná elektroda
