Lá cây truyền cảm hứng cho thiết kế pin nhiên liệu cải tiến
của Greg Basky, Canadian Light Source
Nguồn: Applied Energy (2025). DOI: 10.1016/j.apenergy.2025.125760
Pin nhiên liệu hydro chuyển đổi hydro và oxy thành điện, nhiệt và nước. Vì quá trình chuyển đổi này không tạo ra bất kỳ khí thải carbon nào nên pin nhiên liệu được coi là nguồn năng lượng xanh có giá trị có thể đóng vai trò then chốt trong việc giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu.
Tuy nhiên, có một trở ngại cản trở việc sử dụng chúng trong các ứng dụng quy mô lớn—ví dụ như cung cấp năng lượng cho xe tải điện để vận chuyển đường dài hoặc thay thế máy phát điện diesel để cung cấp điện cho các cộng đồng xa xôi ở phía bắc. Pin nhiên liệu hiện tại đã đạt đến giới hạn về lượng điện mà chúng có thể tạo ra vì cấu trúc bên trong của chúng không thể quản lý đầy đủ toàn bộ lượng nước mà pin tạo ra như một sản phẩm phụ.
Các nhà nghiên cứu từ Khoa Kỹ thuật Cơ khí và Công nghiệp của Đại học Toronto đã tìm đến một nguồn mới lạ khi họ đang động não tìm ý tưởng cải thiện thiết kế của các kênh - được gọi là "trường dòng chảy" - dẫn nước vào bên trong tế bào. Công trình của họ được công bố trên tạp chí Năng lượng Ứng dụng.
Nghiên cứu sinh tiến sĩ Eric Chadwick cho biết, thay vì bắt đầu từ con số 0, anh đã tìm đến thiên nhiên để lấy cảm hứng ("mô phỏng sinh học"). "Thay vì cố gắng đưa ra một thiết kế hoàn toàn mới, tôi quyết định hướng đến thiên nhiên, vì thông thường một số sinh vật đã tối ưu hóa một quy trình thông qua quá trình tiến hóa".
Trong trường hợp này, quy trình là di chuyển nước theo một hướng duy nhất. Ông đã tìm thấy bằng chứng về điều này trên da thằn lằn và lá của một số loài thực vật. Chadwick cho biết: "Thằn lằn sống ở vùng khí hậu khô cằn có vảy tiến hóa để giữ lại hơi nước ngưng tụ từ không khí và dẫn đến mắt và miệng của chúng". "Tương tự như vậy, trên một số loại lá, các gân lá sẽ hứng nước và đưa nước đến đầu lá để nước rơi xuống, do đó rễ có thể hấp thụ nước".
Ông và nhóm của mình đã kết hợp các mô hình này từ thiên nhiên vào các kênh bên trong tế bào mới của họ, để di chuyển nước hiệu quả hơn từ lớp xốp bên trong tế bào ra bên ngoài tế bào.
Sử dụng Nguồn sáng Canada tại Đại học Saskatchewan, Chadwick và các đồng nghiệp của ông đã phát hiện ra rằng thiết kế lấy cảm hứng từ thiên nhiên đã dẫn đến mật độ công suất cực đại mà chúng có thể đạt được trong pin nhiên liệu tăng 30% so với các thiết kế hiện có. Thiết kế pin mới cho thấy sự phân phối nước đều hơn bên trong pin, không tích tụ, điều này cũng có nghĩa là sự phân phối đều hơn các chất phản ứng (oxy và hydro)—"do đó, pin nhiên liệu đang sử dụng chất xúc tác (platin) hiệu quả hơn".
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng, vì thiết kế mới đã loại bỏ lượng nước lỏng dư thừa khỏi lớp xốp, nên các kênh đóng vai trò là các đường dẫn bổ sung để nhiều chất phản ứng hơn đến được lớp xúc tác.
Với tia X năng lượng cao tại CLS, Chadwick và nhóm nghiên cứu đã có thể tạo ra hình ảnh cắt ngang, chi tiết phong phú về pin nhiên liệu mới của họ trong khi nó đang hoạt động. "Chúng tôi có thể thấy chính xác nước chảy đến đâu, lượng nước còn lại trong pin là bao nhiêu, với các thiết kế khác nhau mà chúng tôi đã thử nghiệm", Chadwick nói.
"Trong thiết kế cũ, chúng tôi từng có sự phân bố nước không đồng nhất. Bây giờ chúng tôi có một lớp nước đồng nhất hơn nhiều, điều này có nghĩa là chúng tôi có sự phân bố đồng nhất hơn nhiều của các chất phản ứng và chúng tôi đang sử dụng chất xúc tác trong pin nhiên liệu hiệu quả và đồng đều hơn nhiều".
Chadwick nói rằng bước tiếp theo sẽ là chế tạo và thử nghiệm một pin lớn hơn. Anh ấy và nhóm của anh ấy sẽ sử dụng mô hình máy tính để xác định cách điều chỉnh thiết kế của họ cho một hệ thống lớn." Chúng tôi lấy những thiết kế này từ thiên nhiên và tối ưu hóa chúng, nhưng luôn có chỗ cho nhiều hơn nữa (cải tiến). "Tôi nghĩ mô hình hóa thực sự có thể giúp hỗ trợ công việc này và thúc đẩy nó trong lĩnh vực này."
"Điều tôi thấy thực sự thỏa mãn và thực sự thú vị về điều này là chúng ta có thể lấy những thiết kế này trực tiếp từ thiên nhiên và sử dụng chúng để, theo một cách nào đó, giúp chúng ta giảm tác động của mình lên thiên nhiên."
