پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا با طراحی نوآورانه کاتالیستی، عمر پیل‌های سوختی را به بیش از ۲۰۰ هزار ساعت افزایش دادند.
عمر پیل‌های سوختی در خودروهای سنگین به ۲۰۰ هزار ساعت می‌رسد
تیمی از محققان دانشگاه کالیفرنیا در لس‌آنجلس (UCLA)، موفق به طراحی نوعی کاتالیست پلاتین شده‌اند که با لایه‌ای محافظ از گرافن و پایه‌ای از کربن متخلخل کتجن‌بلک (Ketjenblack) محافظت می‌شود. این ساختار منحصر‌به‌فرد می‌تواند عمر عملیاتی پیل‌های سوختی را به‌طرز چشمگیری افزایش داده و آن‌ها را برای استفاده در خودروهای سنگین و حمل‌ونقل طولانی‌مدت بسیار مناسب‌تر کند.
این فناوری که زیر نظر دکتر یو هوانگ (Yu Huang)، استاد مهندسی مواد در UCLA توسعه یافته، از نانوذرات فوق‌ریز پلاتین استفاده می‌کند که در حفره‌هایی از جنس گرافن تعبیه شده‌اند. این ساختار‌های گرافنی سپس در بخش متخلخل کربن کتجن‌بلک جای‌گذاری می‌شوند و ساختاری لایه‌لایه و مقاوم در برابر شرایط سخت ایجاد می‌کنند.
این طراحی موسوم به «ذره درون ذره»، مزیت پایداری درازمدت را با عملکرد شیمیایی بالا ترکیب می‌کند؛ ویژگی‌ای که برای راندمان بالای پیل‌های سوختی بسیار حیاتی است. برخلاف کاتالیست‌های سنتی که از آلیاژ پلاتین استفاده می‌کنند و در گذر زمان دچار خوردگی و افت عملکرد می‌شوند، این کاتالیست جدید با تکیه بر پلاتین خالص و محافظت‌شده، توانسته است این مشکل مزمن را رفع کند.
در آزمون‌های شبیه‌سازی‌شده برای شرایط واقعی رانندگی، این کاتالیست تنها ۱٫۱ درصد کاهش توان را پس از ۹۰ هزار چرخه ولتاژی از خود نشان داده است. این در حالی است که کاهش ۱۰ درصدی در چنین آزمایش‌هایی معمولاً بسیار موفق تلقی می‌شود. این عملکرد نشان‌دهنده‌ی عمر عملیاتی بیش از ۲۰۰ هزار ساعت برای سیستم‌های پیل سوختی است؛ عددی که تقریباً هفت برابر هدف‌گذاری وزارت انرژی آمریکا (DOE) برای سال ۲۰۵۰ محسوب می‌شود.
با آنکه تنها حدود ۵ درصد از خودروهای جاده‌ای را وسایل نقلیه سنگین تشکیل می‌دهند، این گروه مسئول نزدیک به یک‌چهارم از کل انتشار گازهای گلخانه‌ای حمل‌ونقل هستند. این وسایل، شامل کامیون‌های باری، تریلرها و وسایل نقلیه حمل‌ونقل بین‌شهری، به دلیل وزن زیاد، نیازمند سیستم‌های سبک و پرقدرت هستند. پیل‌های سوختی که به مراتب از باتری‌های سنگین سبک‌ترند، انتخابی ایده‌آل برای این وسایل به شمار می‌آیند.
کاتالیست جدید با توان خروجی پیش‌بینی‌شده‌ی ۱٫۰۸ وات بر سانتی‌متر مربع می‌تواند عملکردی مشابه باتری‌هایی ارائه دهد که تا ۸ برابر سنگین‌تر هستند. این اختلاف وزن، به‌ویژه در بخش حمل‌ونقل سنگین که جابه‌جایی بارهای زیاد و فاصله‌های طولانی در دستور کار است، بسیار حیاتی است.
پیل‌های سوختی هیدروژنی با تولید برق از واکنش شیمیایی هیدروژن، تنها بخار آب تولید می‌کنند و هیچ آلاینده‌ای از خود بر جای نمی‌گذارند. اما فرآیند کند این واکنش، همواره نیازمند استفاده از کاتالیست بوده و پایداری کاتالیست‌ها مانعی بزرگ بر سر راه پیشرفت این فناوری بوده است. با نوآوری اخیر تیم UCLA، این مانع نیز تا حد زیادی برطرف شده است.
دکتر هوانگ درباره اهمیت این دستاورد گفت: «سامانه‌های پیل‌سوختی مخصوص خودروهای سنگین باید در برابر شرایط کاری بسیار سخت دوام بیاورند و پایداری در اینجا یک چالش کلیدی است. ما با بهره‌گیری از پلاتین خالص و استراتژی محافظتی مبتنی بر گرافن، توانسته‌ایم فرسایش عناصر آلیاژی را حذف کنیم و عملکرد پایدار و قوی را حتی در شرایط دشوار نیز حفظ نماییم.»
یافته‌های جدید همچنین ادامه‌ای بر موفقیت پیشین این تیم در توسعه‌ی کاتالیستی برای خودروهای سبک است که عمر عملیاتی ۱۵ هزار ساعته داشت، یعنی تقریباً دو برابر هدف ۸ هزار ساعتی تعیین‌شده توسط وزارت انرژی آمریکا.
نوآوری در طراحی کاتالیست‌های مقاوم و پرکارایی مانند این نمونه، مسیر توسعه حمل‌ونقل مبتنی بر هیدروژن را هموارتر کرده و می‌تواند گام بزرگی در کاهش انتشار کربن و تحقق سیستم‌های حمل‌ونقل پایدار جهانی باشد.
