عمر پیل های سوختی در خودروهای سنگین به ۲۰۰ هزار ساعت می رسد

پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا با طراحی نوآورانه کاتالیستی، عمر پیل های سوختی را به بیش از ۲۰۰ هزار ساعت افزایش دادند.

به گزارش تین نیوز از ستاد توسعه فناوری های نانو، تیمی از محققان دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس (UCLA)، موفق به طراحی نوعی کاتالیست پلاتین شده اند که با لایه ای محافظ از گرافن و پایه ای از کربن متخلخل کتجن بلک (Ketjenblack) محافظت می شود.

این ساختار منحصربه فرد می تواند عمر عملیاتی پیل های سوختی را به طرز چشمگیری افزایش داده و آن ها را برای استفاده در خودروهای سنگین و حمل ونقل طولانی مدت بسیار مناسب تر کند.

فناوری که زیر نظر یو هوانگ (Yu Huang)، استاد مهندسی مواد در UCLA توسعه یافته، از نانوذرات فوق ریز پلاتین استفاده می کند، در حفره هایی از جنس گرافن تعبیه شده اند.

این ساختارهای گرافنی سپس در بخش متخلخل کربن کتجن بلک جای گذاری می شوند و ساختاری لایه لایه و مقاوم در برابر شرایط سخت ایجاد می کنند.

این طراحی موسوم به «ذره درون ذره»، مزیت پایداری درازمدت را با عملکرد شیمیایی بالا ترکیب می کند؛ ویژگی ای که برای بازدهی بالای پیل های سوختی بسیار حیاتی است. برخلاف کاتالیست های سنتی که از آلیاژ پلاتین استفاده می کنند و در گذر زمان دچار اُفت عملکرد می شود و این کاتالیست جدید با تکیه بر پلاتین خالص و محافظت شده، توانسته است این مشکل مزمن را رفع کند.

در آزمون های شبیه سازی شده برای شرایط واقعی رانندگی، این کاتالیزور تنها ۱.۱ درصد کاهش توان را پس از ۹۰ هزار چرخه ولتاژی از خود نشان داده در حالی است که کاهش ۱۰ درصدی در چنین آزمایش هایی بسیار موفق تلقی می شود.

این عملکرد نشان دهنده عمر عملیاتی بیش از ۲۰۰ هزار ساعت برای سیستم های پیل سوختی است؛ عددی که حدود هفت برابر هدف گذاری وزارت انرژی آمریکا (DOE) برای سال ۲۰۵۰ محسوب می شود.

با آنکه تنها حدود پنج درصد از خودروهای جاده ای را وسایل نقلیه سنگین تشکیل می دهند، این گروه مسئول نزدیک به یک چهارم از کل انتشار گازهای گلخانه ای حمل ونقل هستند. این وسایل، شامل کامیون های باری، تریلرها و وسایل نقلیه حمل ونقل بین شهری، به دلیل وزن زیاد، نیازمند سیستم های سبک و پرقدرت هستند. پیل های سوختی که به مراتب از باتری های سنگین سبک ترند، انتخابی ایده آل برای این وسایل به شمار می آیند.

کاتالیست جدید با توان خروجی پیش بینی شده ۱.۰۸ وات بر سانتی متر مربع می تواند عملکردی مشابه باتری هایی ارائه دهد که تا ۸ برابر سنگین تر هستند. این اختلاف وزن، به ویژه در بخش حمل ونقل سنگین که جابه جایی بارهای زیاد و فاصله های طولانی در دستور کار است، بسیار حیاتی است.

پیل های سوختی هیدروژنی با تولید برق از واکنش شیمیایی هیدروژن، تنها بخار آب تولید می کنند و هیچ آلاینده ای از خود بر جای نمی گذارند. اما فرآیند کند این واکنش، همواره نیازمند استفاده از کاتالیست بوده و پایداری کاتالیست ها مانعی بزرگ بر سر راه پیشرفت این فناوری بوده، با نوآوری اخیر تیم UCLA، این مانع نیز تا حد زیادی برطرف شده است.

هوانگ درباره اهمیت این دستاورد گفت: سامانه های پیل سوختی مخصوص خودروهای سنگین باید در برابر شرایط کاری بسیار سخت دوام بیاورند و پایداری در اینجا یک چالش کلیدی است. ما با بهره گیری از پلاتین خالص و استراتژی محافظتی مبتنی بر گرافن، توانسته ایم فرسایش عناصر آلیاژی را حذف کنیم و عملکرد پایدار و قوی را حتی در شرایط دشوار نیز حفظ کنیم.

یافته های جدید همچنین ادامه ای بر موفقیت پیشین این تیم در توسعه کاتالیستی برای خودروهای سبک است که عمر عملیاتی ۱۵ هزار ساعته داشت، یعنی حدود ۲ برابر هدف هشت هزار ساعتی تعیین شده توسط وزارت انرژی آمریکا است.

نوآوری در طراحی کاتالیست های مقاوم و پرکارایی مانند این نمونه، مسیر توسعه حمل ونقل مبتنی بر هیدروژن را هموارتر کرده و می تواند گام بزرگی در کاهش انتشار کربن و تحقق سیستم های حمل ونقل پایدار جهانی باشد.