Màng dẫn proton mới cho pin nhiên liệu ô tô
bởi Đại học Waseda
Màng composite được đề xuất đáp ứng mục tiêu kỹ thuật đầy thách thức của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ để sử dụng trong pin nhiên liệu ô tô vào năm 2025, mở đường cho các loại xe điện mạnh mẽ và giá cả phải chăng. Ảnh: Kenji Miyatake từ Đại học Waseda và Đại học Yamanashi
Pin nhiên liệu là các đơn vị chuyển đổi năng lượng nhỏ gọn sử dụng các nguồn năng lượng sạch như hydro và chuyển đổi chúng thành điện năng thông qua một loạt các phản ứng oxy hóa-khử. Cụ thể, pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC), một phần không thể thiếu của xe điện, sử dụng màng dẫn proton để vận hành. Thật không may, những màng này phải đánh đổi giữa độ bền cao và độ dẫn ion cao, ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu suất của PEMFC.
Để khắc phục vấn đề này, các nhà khoa học đã tổng hợp các màng polyme axit perfluorosulfonic đã biến đổi về mặt hóa học và vật lý, chẳng hạn như Nafion HP, Nafion XL và Gore-Select, đã được chứng minh là bền hơn nhiều so với các màng không biến đổi thông thường được sử dụng trong hoạt động của pin nhiên liệu.
Thật không may, không có màng dẫn proton nào hiện có đáp ứng được mục tiêu kỹ thuật đầy thách thức—vượt qua bài kiểm tra độ bền cấp tốc hoặc bài kiểm tra cơ học và hóa học kết hợp—do Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đặt ra để tạo thuận lợi cho việc sử dụng chúng trong pin nhiên liệu ô tô bằng cách 2025.
Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Nhật Bản, do Giáo sư Kenji Miyatake từ Đại học Waseda và Đại học Yamanashi dẫn đầu, đã tổng hợp được các màng dẫn proton mới cho PEMFC. Công trình của họ, được đăng trên tạp chí Science Advances, được đồng tác giả bởi Tiến sĩ Liu Fanghua từ Đại học Waseda và Đại học Yamanashi và Tiến sĩ Ick Soo Kim từ Đại học Shinshu.
Các nhà nghiên cứu đã tổng hợp các màng dẫn proton bằng cách sử dụng một ionomer thơm flo hóa một phần (vật liệu polyme bao gồm các loại nhựa nhiệt dẻo được ổn định bằng các liên kết ngang ion) có tên là SPP–TFP-4.0 (SPP: polyphenylene sulfon hóa, TFP: bis(trifluoromethyl) terphenylene).
Sau đó, họ sử dụng phương pháp phủ đẩy để củng cố ionomer bằng sợi nano quay điện, không dệt và đẳng hướng poly(vinylidene fluoride) (PVDF) có độ xốp cao (78%) hoặc sử dụng polytetrafluoroetylen (ePTFE) xốp trương nở. Điều này dẫn đến màng tổng hợp, SPP–TFP-4.0–PVDF và SPP–TFP-4.0–ePTFE, có độ dày lần lượt là 14 và 16 µm.
Các nhà nghiên cứu đã thực hiện nhiều thử nghiệm khác nhau trên các màng dẫn proton này và chứng minh rằng màng được gia cố bằng PVDF là vượt trội. Miyatake cho biết: "Nó vượt trội so với màng Nafion XL được ổn định về mặt hóa học và được gia cố về mặt vật lý tiên tiến về mặt hoạt động của pin nhiên liệu và độ ổn định hóa học tại chỗ ở nhiệt độ cao 120oC và độ ẩm tương đối thấp 30%". .
Màng SPP–TFP-4.0–PVDF đã thể hiện tuổi thọ dài 148.870 chu kỳ hoặc 703 giờ—dài hơn bảy lần so với tuổi thọ của mục tiêu DOE—trong thử nghiệm độ bền tăng tốc với chu kỳ khô-ướt thường xuyên trong điều kiện điện áp mạch hở. Ngoài ra, nó thể hiện tính ổn định hóa học cao với ít sự suy giảm, năng lượng vỡ ổn định ở các mức độ ẩm khác nhau, tính chất cơ học ổn định cao từ độ ẩm tương đối từ 0 đến 60% ở 80oC và hiệu suất pin nhiên liệu tuyệt vời ở nhiệt độ cao (100–120oC).
Trên thực tế, màng dẫn điện proton được gia cố dựa trên polyme thơm được đề xuất đáp ứng mục tiêu của DOE Hoa Kỳ đối với pin nhiên liệu ô tô trong tương lai, cung cấp một giải pháp thay thế sinh lợi. Do đó, nghiên cứu này có thể mở đường cho PEMFC với khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao và độ bền. Miyatake kết luận: "Kết quả là, xe điện dựa trên pin nhiên liệu có thể trở nên mạnh mẽ hơn và giá cả phải chăng hơn. Điều này cũng sẽ góp phần hiện thực hóa một xã hội không có carbon, dựa trên hydro".
