Một nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Yoo Sung Jong thuộc Trung tâm Nghiên cứu Hydro và Pin Nhiên liệu tại Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KIST) dẫn đầu đã phát triển được công nghệ pin nhiên liệu có độ ổn định cao trong thời gian dài và mật độ năng lượng được cải thiện so với các loại pin nhiên liệu khác. cho pin nhiên liệu thông thường bằng cách giới thiệu công nghệ điều khiển cấu trúc ba chiều. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Materials .
Sơ đồ biểu diễn các ứng dụng khác nhau của pin nhiên liệu sử dụng cấu trúc 3D. Nguồn: Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc
Cấu trúc ba chiều là sự sắp xếp ba chiều của các lớp điện cực, màng điện phân và lớp vận chuyển, là những thành phần cần thiết cho hoạt động của pin nhiên liệu và có liên quan chặt chẽ đến hiệu suất của pin nhiên liệu.
Pin nhiên liệu là công nghệ sử dụng hydro, nguyên tố phổ biến nhất trên Trái đất, để tạo ra điện và đang thu hút sự chú ý như một nguồn năng lượng sạch có thể khắc phục những hạn chế về tốc độ sạc và khả năng lưu trữ của pin thứ cấp.
Trong số các loại pin nhiên liệu khác nhau, pin nhiên liệu màng điện phân polymer (PEMFC) có tiềm năng thương mại hóa cao vì chúng có thể cung cấp năng lượng nhanh chóng và hoạt động ở nhiệt độ tương đối thấp. Tuy nhiên, nước tạo ra bên trong chúng trong quá trình hoạt động lâu dài sẽ làm giảm độ bền và hiệu suất của chúng, cản trở việc thương mại hóa chúng.
Nhóm nghiên cứu đã phát triển công nghệ điều khiển điện cực có cấu trúc ba chiều dựa trên kiến trúc đa quy mô để quản lý việc tạo nước trong PEMFC. Công nghệ này kết hợp các cấu trúc có kích thước khác nhau để cải thiện hiệu suất của pin nhiên liệu và nghiên cứu này cho thấy rằng việc thiết kế các lớp điện cực với cấu trúc đa chiều một và ba chiều có thể giải quyết vấn đề suy giảm hiệu suất do nước bị tạo quá mức trong khi sử dụng các chất xúc tác và màng điện phân hiện có.
Thiết kế màng polyme sử dụng công nghệ in dấu để cải thiện hiệu suất pin nhiên liệu Nguồn: Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc
Hơn nữa, bằng cách tạo khuôn bề mặt của màng điện phân ba chiều với cấu trúc đơn hoặc nhiều lớp, các nhà nghiên cứu có thể giảm điện trở và tăng diện tích bề mặt hoạt động điện hóa trong pin nhiên liệu, dẫn đến độ bền cơ học của nhiên liệu. pin đã được cải thiện và mật độ năng lượng của pin nhiên liệu đã tăng hơn 40% so với trước đây.
Tối ưu hóa các khoảng trống điện cực để cải thiện việc quản lý nước trong pin nhiên liệu. Nguồn: Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc
Nhóm nghiên cứu cũng đã phát triển cấu trúc ba chiều của lớp vận chuyển với các đặc tính truyền khối được cải thiện nhờ độ dốc lỗ rỗng và khuếch tán khí ẩm. Sử dụng ứng suất bề mặt cao của màng điện phân, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng vết nứt do bị kéo căng ở lớp điện cực đóng vai trò là kênh dẫn hiệu quả cho nước tạo ra bên trong tế bào, dẫn đến mật độ năng lượng tối đa tăng 18% so với pin nhiên liệu thông thường. không có vết nứt.
Tiến sĩ Yoo sung jong của KIST cho biết : “Sử dụng cấu trúc ba chiều , có thể tối đa hóa việc sử dụng các chất xúc tác khác nhau, điều khó khăn với cấu trúc pin nhiên liệu hiện tại và quản lý ổn định lượng nước tạo ra trong PEMFC”. “Trong tương lai, chúng tôi hy vọng có thể áp dụng các cấu trúc ba chiều mới hoàn toàn khác với các cấu trúc đơn giản thông thường để tạo ra pin nhiên liệu cho xe chạy bằng hydro hoặc phát điện .
