Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) là một giải pháp năng lượng đầy hứa hẹn để giảm lượng khí thải carbon trong lĩnh vực giao thông vận tải. Theo gợi ý từ tên của chúng, những tế bào này chứa màng dẫn proton dựa trên vật liệu polyme đóng vai trò là chất điện phân. Mặc dù PEMFC có thể có những lợi thế đáng chú ý, nhưng chi phí, độ bền và tính sẵn có của nhiên liệu cần thiết để vận hành chúng sẽ cần phải cải thiện trước khi chúng có thể được triển khai trên quy mô lớn.
Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos gần đây đã phát triển các điện cực mới có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ bền của PEMFC. Các điện cực này, được giới thiệu trong Nature Energy , có cấu tạo rãnh đặc trưng có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển cả oxy và proton trong pin nhiên liệu.
"Chúng tôi biết rằng hiệu suất của các điện cực thông thường bị hạn chế bởi sự vận chuyển của các loại như oxy và proton, và chúng tôi đã được truyền cảm hứng từ công trình lịch sử của các đồng nghiệp tại LANL vào những năm 1990, người đã khám phá ra cách kết hợp chất xúc tác bạch kim được hỗ trợ bởi carbon với Jacob Spendelow, một trong những nhà nghiên cứu thực hiện nghiên cứu, nói với Tech Xplore .
"Có một chút ngạc nhiên là 30 năm sau, các điện cực tiên tiến nhất vẫn sử dụng cùng một cấu trúc. Do đó, chúng tôi bắt đầu thiết kế lại cấu trúc bằng cách sử dụng phương pháp thiết kế hợp lý để đẩy nhanh quá trình vận chuyển oxy và proton."
Các điện cực có rãnh được thiết kế bởi Spendelow và các đồng nghiệp của ông có nhiều đường vân siêu nhỏ, về cơ bản bao gồm một chất xúc tác bạch kim hỗ trợ carbon được phân tách bằng các vết lõm rỗng. Do cấu hình độc đáo của chúng, chúng có thể phân chia quá trình vận chuyển oxy và proton thành các phần khác nhau trong cấu trúc của chúng.
“Các điện cực thông thường yêu cầu vận chuyển hỗn hợp oxy và proton qua tất cả các bộ phận của điện cực, điều này đòi hỏi một số thỏa hiệp về thiết kế, do ionomer dẫn proton cản trở quá trình vận chuyển oxy,” Spendelow giải thích. "Ngược lại, bằng cách tách biệt quá trình vận chuyển oxy và proton, thiết kế điện cực có rãnh cho phép các phần của điện cực (các rãnh) được tối ưu hóa để vận chuyển oxy, trong khi các phần khác (các gờ) được tối ưu hóa cho việc vận chuyển proton." ' cách tiếp cận cho phép vận chuyển nhanh hơn và hiệu suất cao hơn."
Các nhà nghiên cứu đã đánh giá các điện cực có rãnh của họ trong một loạt các thử nghiệm chạy ở điều kiện vận hành tiêu chuẩn cho pin nhiên liệu. Họ phát hiện ra rằng hiệu suất của chúng tốt hơn tới 50% so với hiệu suất của các điện cực thông thường và chúng có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển oxy và cải thiện tính đồng nhất của các phản ứng hóa học. Ngoài ra, các điện cực có rãnh dường như bền hơn so với các điện cực thông thường vì hiệu suất của chúng không giảm nhiều sau thử nghiệm ăn mòn carbon.
“Hầu hết các nghiên cứu về cải thiện hiệu suất và độ bền của pin nhiên liệu đều tập trung vào việc phát triển các vật liệu mới,” Spendelow cho biết. "Các vật liệu mới chắc chắn hữu ích, nhưng công việc của chúng tôi chứng minh rằng cấu trúc điện cực cũng quan trọng không kém. Chúng tôi hy vọng rằng các nhà nghiên cứu khác sẽ được truyền cảm hứng từ những kết quả này để theo đuổi những tiến bộ hơn nữa trong pin nhiên liệu và các thiết bị liên quan thông qua việc phát triển các thiết kế điện cực cải tiến."
Những phát hiện ban đầu do nhóm các nhà nghiên cứu này thu thập rất hứa hẹn, cho thấy rằng các điện cực có rãnh có thể giúp cải thiện đáng kể cả hiệu suất và độ bền của PEMFC, đồng thời có khả năng giảm kích thước và chi phí chế tạo của chúng. Tuy nhiên, công trình gần đây của họ chỉ đơn thuần là một bằng chứng về khái niệm, vì chế tạo vi mô được sử dụng để tạo ra các nguyên mẫu của họ sẽ khó áp dụng trên quy mô lớn hơn.
“Cần tiếp tục nghiên cứu sản xuất cấu trúc điện cực có rãnh để chuyển khái niệm này từ phòng thí nghiệm sang dây chuyền sản xuất,” Spendelow nói thêm. "Đồng thời, chúng tôi cũng đang theo đuổi một số ý tưởng khác về thiết kế điện cực hợp lý nhằm nỗ lực phát triển kiến trúc điện cực mới với hiệu suất và độ bền thậm chí còn cao hơn so với điện cực có rãnh."
