Naukowcy z Uniwersytetu Chalmers opracowali metodę badania i zrozumienia procesów degradacji w wodorowych ogniwach paliwowych, która może potencjalnie prowadzić do postępów, które mogą wydłużyć żywotność pojazdów napędzanych wodorem.
Wodór stał się atrakcyjną alternatywą paliwa dla pojazdów ciężkich. Pojazdy napędzane wodorem emitują jedynie parę wodną jako spaliny, a wodór wytwarzany przy użyciu energii odnawialnej jest całkowicie wolny od emisji dwutlenku węgla. W przeciwieństwie do pojazdów elektrycznych zasilanych akumulatorami, pojazdy napędzane wodorem nie obciążają sieci energetycznej, ponieważ wodór można wytwarzać i magazynować, gdy energia elektryczna jest niedroga.
W niektórych pojazdach napędzanych wodorem napęd zapewnia tak zwane ogniwo paliwowe. Niestety żywotność pojazdów napędzanych wodorowymi ogniwami paliwowymi jest stosunkowo krótka, ponieważ elementy ogniw paliwowych, takie jak elektrody i membrany, z biegiem czasu ulegają degradacji.
Fakty: Jak działa ogniwo paliwowe
Rdzeń ogniwa paliwowego składa się z trzech warstw aktywnych, dwóch elektrod – odpowiednio anody i katody – z membraną przewodzącą jony pośrodku. Każde pojedyncze ogniwo zapewnia napięcie około 1 wolta. Elektrody zawierają materiał katalityczny, do którego dodaje się wodór i tlen. W wyniku procesu elektrochemicznego powstaje czysta woda i energia elektryczna, które można wykorzystać do zasilania pojazdu.
Postępy w badaniach nad trwałością ogniw paliwowych
Teraz badacze z Politechnika Chalmersw Szwecji opracowali nową metodę badania czynników wpływających na starzenie się ogniw paliwowych poprzez śledzenie określonej cząsteczki w ogniwie paliwowym podczas jego użytkowania. Naukowcy zbadali całe ogniwo paliwowe, rozbierając je w regularnych odstępach czasu.
Korzystając z zaawansowanych mikroskopów elektronowych, byli w stanie śledzić, w jaki sposób elektroda katodowa ulega degradacji w określonych obszarach podczas cykli użytkowania. Poprzednie badania przeprowadzono na tzw. półogniwach, które są podobne (ale nie takie same) do połowy ogniwa paliwowego i prowadzone są w warunkach znacznie różniących się od rzeczywistych ogniw paliwowych.
Przełom w analizie ogniw paliwowych
Główny badacz Björn Wickman, profesor nadzwyczajny na Wydziale Fizyki w Chalmers, powiedział: „Wcześniej zakładano, że demontaż ogniwa paliwowego i jego badanie w taki sposób będzie mieć wpływ na wydajność, ale okazało się, że założenie to jest błędne, co jest zaskakujące.”
Zespołowi udało się zbadać, w jaki sposób materiał w ogniwie paliwowym ulega degradacji zarówno na poziomie nano, jak i mikro, oraz dokładnie określić, kiedy i gdzie następuje degradacja. Dostarcza to cennych informacji do opracowania nowych i ulepszonych ogniw paliwowych o dłuższej żywotności.
„Wcześniej przyglądaliśmy się jedynie starzeniu się ogniwa paliwowego po użyciu, teraz mogliśmy przejść do etapu środkowego” – mówi doktorantka Linnéa Strandberg z Chalmers. „Możliwość śledzenia pojedynczej, wybranej cząstki w określonym obszarze zapewniła znacznie lepsze zrozumienie procesów degradacji. Większa wiedza na ten temat to ważny krok na drodze do projektowania nowych materiałów na ogniwa paliwowe lub dostosowania sterowania ogniwem paliwowym.”
Przyszłe kierunki technologii wodorowych ogniw paliwowych
Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) zauważył, że Wydłużenie żywotności ogniw paliwowych jest jednym z najważniejszych celów osiągnąć, zanim pojazdy wodorowe napędzane ogniwami paliwowymi będą mogły odnieść sukces komercyjny. Według branży, ciężarówka musi wytrzymać 20 000 – 30 000 godzin jazdy w całym okresie użytkowaniaczego nie jest obecnie w stanie osiągnąć ciężarówka wodorowa napędzana ogniwami paliwowymi.
„Położyliśmy teraz fundament, na którym można budować lepsze ogniwa paliwowe. Teraz wiemy więcej o procesach zachodzących w ogniwie paliwowym i o tym, w którym momencie cyklu życia ogniwa paliwowego one zachodzą. W przyszłości metoda ta zostanie wykorzystana do opracowania i zbadania nowych materiałów, które mogą zapewnić dłuższą żywotność ogniwa paliwowego” – mówi Björn Wickman.
Wyniki badań zaprezentowano w trzech różnych artykułach naukowych:
- „Korozja nośnika węgla w PEMFC obserwowana przez mikroskopię elektronową w identycznej lokalizacji” opublikowana w: Kataliza ACS.
- „Degradacja elektrod ogniwa paliwowego, po której następuje transmisyjna mikroskopia elektronowa w identycznym miejscu”, opublikowana w: Journal of Material Chemistry .
- „Wpływ przyspieszonych testów naprężenia na katodową warstwę katalityczną w ogniwie paliwowym z membraną do wymiany protonów (PEM) badany za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej w identycznym położeniu” opublikowany w ACS Stosowane materiały energetyczne.
Referencje:
„Korozja nośnika węgla w PEMFC obserwowana przez mikroskopię elektronową w identycznej lokalizacji” Linnéa Strandberg, Victor Shokhen, Magnus Skoglundh i Björn Wickman, 16 maja 2024 r., Kataliza ACS.
DOI: 10.1021/acscatal.4c00417
„Degradacja elektrod ogniwa paliwowego, po której następuje transmisyjna mikroskopia elektronowa w identycznym miejscu”, Victor Shokhen, Linnéa Strandberg, Magnus Skoglundh i Björn Wickman, 4 września 2023 r., Journal of Materials Chemistry A.
DOI: 10.1039/D3TA01303K
„Wpływ przyspieszonych testów naprężeń na katodową warstwę katalityczną w ogniwie paliwowym z membraną do wymiany protonów (PEM) badany za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej w identycznej lokalizacji” autorstwa Victora Shokhena, Linnéi Strandberg, Magnusa Skoglundha i Björna Wickmana, 18 sierpnia 2022 r., ACS Stosowane materiały energetyczne.
DOI: 10.1021/acsaem.2c01790
Projekt ten był wspierany finansowo przez Szwedzką Fundację Badań Strategicznych i Szwedzką Radę ds. Badań Naukowych i realizowany w ramach Centrum Kompetencyjnego ds. Katalizy, którego gospodarzem jest Politechnika Chalmers i wspierany finansowo przez Szwedzką Agencję Energetyczną i firmy członkowskie Johnson Matthey, Perstorp , Powercell, Preem, Scania CV, Umicore i Volvo Group.
