Thiết kế mới cho pin nhiên liệu mật độ năng lượng cao giúp cải thiện hiệu suất và độ bền – Los Alamos Lab.
Công nghệ pin nhiên liệu hydro mới hứa hẹn có hiệu suất cao hơn tới 50% so với công nghệ hiện tại, tối tân, với độ bền được cải thiện. Bước tiến trong thiết kế điện cực có rãnh có thể giúp tối ưu hóa công nghệ pin nhiên liệu thế hệ tiếp theo để cung cấp năng lượng cho các phương tiện vận tải hạng trung và hạng nặng không phát thải.
Jacob Spendelow , cho biết:
Chúng tôi đã có một lý thuyết rằng bằng cách hình dung lại cách thiết kế các điện cực, chúng tôi có thể đạt được hiệu suất được cải thiện.
Jacob Spendelow, nhà khoa học vật liệu thuộc nhóm Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos đã mô tả kết quả của nó trên tạp chí Nature Energy .
“Một trong những điểm thu được lớn nhất của chúng tôi là các vật liệu mới không phải là con đường duy nhất để cải thiện hiệu suất. Cách các vật liệu được kết hợp với nhau có thể quan trọng không kém.
“Tất cả những gì chúng tôi làm là sử dụng các vật liệu thông thường sẵn có trên thị trường và thay đổi cách chúng tôi kết hợp chúng lại với nhau để thay đổi cấu trúc vi mô, và điều đó dẫn đến hiệu suất cao hơn đáng kể.”
Pin nhiên liệu hydro — và cụ thể là một phiên bản của công nghệ được gọi là pin nhiên liệu màng trao đổi proton — đại diện cho một thiết kế động cơ không phát thải sử dụng hydro làm nhiên liệu. Pin nhiên liệu có thể biến đổi lĩnh vực vận tải hạng trung và hạng nặng vốn rất khó khử cacbon.
Thiết kế thúc đẩy hiệu quả và độ bền
Trong thiết bị pin nhiên liệu, hydro và oxy được phản ứng điện hóa để tạo ra dòng điện có khả năng cung cấp năng lượng cho thiết bị bên ngoài, chẳng hạn như động cơ điện. Các phản ứng điện hóa xảy ra trong các điện cực của pin nhiên liệu, bao gồm chất xúc tác dựa trên bạch kim để kích hoạt phản ứng và một polyme dẫn ion (ionomer) để vận chuyển các proton cần thiết để hoàn thành phản ứng.
Spendelow và các đồng nghiệp trong Phòng thí nghiệm đã phát triển một thiết kế điện cực có rãnh giúp cải thiện hiệu quả vận chuyển oxy và proton qua thiết bị. Nhóm đã chế tạo thiết bị tại Trung tâm Công nghệ nano tích hợp của Phòng thí nghiệm, sử dụng kỹ thuật quang khắc và ăn mòn ion phản ứng sâu ở thang micromet (một phần nghìn milimét) để tạo khuôn silicon cho chế tạo điện cực.
Điện cực thu được bao gồm các gờ xúc tác có hàm lượng ionomer cao được ngăn cách bởi các rãnh trống, mà các proton và oxy sử dụng làm đường dẫn để di chuyển qua hệ thống hiệu quả hơn.
Chẩn đoán của nhóm, kết hợp với mô hình và mô phỏng đa vật lý, đã chứng minh khả năng vận chuyển oxy được cải thiện. Học máy cũng mang lại cơ hội hướng dẫn các tính toán của mô hình đa vật lý, tiết kiệm thời gian tính toán. Đáng chú ý, các điện cực có rãnh cũng cải thiện độ bền, ngay cả sau khi bị ăn mòn carbon.
Lịch sử đổi mới
Phương pháp tiếp cận điện cực có rãnh là một trong vài thiết kế pin nhiên liệu mới mà chương trình pin nhiên liệu Los Alamos đã bắt tay vào thực hiện.
“Tổ hợp điện cực màng tế bào nhiên liệu ban đầu đã được phát minh tại Los Alamos hơn 30 năm trước, nhưng thiết kế tế bào nhiên liệu được sử dụng ngày nay hầu như không thay đổi,” Spendelow cho biết. “Điện cực có rãnh này là một trong những điện cực thay thế đầu tiên có thể thay thế điện cực Los Alamos lịch sử.”
Nhóm pin nhiên liệu sẽ tiếp tục phát triển thiết kế điện cực có rãnh, đặc biệt là tìm cách tham gia vào nghiên cứu và phát triển dành riêng cho sản xuất. Mở rộng quy mô chế tạo để triển khai nó trong một cơ sở sản xuất cuộn, với tốc độ sản xuất cao và chi phí thấp, là một mục tiêu dài hạn.
Bài báo: “Các điện cực có rãnh cho pin nhiên liệu mật độ năng lượng cao,” Năng lượng Tự nhiên. DOI: 10.1038/s41560-023-01263-2
Kinh phí: Công trình được hỗ trợ bởi Văn phòng Công nghệ Tế bào Hydro và Tế bào Nhiên liệu , Văn phòng Hiệu quả Năng lượng và Năng lượng Tái tạo, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ thông qua tập đoàn Xe Tải Pin Nhiên liệu Triệu Dặm (M2FCT); bởi chương trình Nghiên cứu và Phát triển do Phòng thí nghiệm Chỉ đạo tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos; bởi sự tài trợ của Văn phòng Khoa học thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cho Trung tâm Công nghệ Nano Tích hợp và Trung tâm Khoa học Vật liệu Nanophase tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge.
Thiết kế mới cho pin nhiên liệu mật độ năng lượng cao giúp cải thiện hiệu suất và độ bền,
