Theo các phương tiện truyền thông nước ngoài, các nhà nghiên cứu tại Đại học Nagoya đã công bố khái niệm thiết kế điện phân tế bào nhiên liệu mới. Khái niệm đổi mới này sử dụng polyme phosphonic có các nhóm khoảng cách hydrocarbon, cho phép tế bào nhiên liệu hoạt động hiệu quả trong điều kiện nhiệt độ cao (trên 100℃) và độ ẩm thấp, từ đó giải quyết vấn đề quan trọng cản trở việc sử dụng rộng rãi tế bào nhiên liệu.
(Tài liệu hình ảnh: Đại học Nagoya)
Tế bào nhiên liệu tạo ra năng lượng điện thông qua phản ứng điện hóa giữa hydro và oxy, đồng thời chỉ thải ra nước, đóng một vai trò quan trọng trong lĩnh vực năng lượng sạch. Tuy nhiên, tế bào nhiên liệu thường sử dụng polime sulfonic perfluorinated, chất này tồn tại trong môi trường và tích lũy trong cơ thể sống, đã khiến nhiều quốc gia phải thực hiện các biện pháp quản lý.
Khác với PFAS, polime phosphonic hydrocarbon không chứa fluor, khó có khả năng tồn tại lâu trong môi trường. Trong điều kiện nhiệt độ cao và độ ẩm thấp, các polime này cũng thể hiện độ ổn định hóa học vừa phải. Mặc dù có những ưu điểm này, độ dẫn điện kém và tính ưa nước của các nhóm phosphonic hạn chế việc sử dụng của chúng, có thể dẫn đến hiện tượng hòa tan trong môi trường ẩm ướt.
Để khắc phục những thách thức này, các nhà nghiên cứu đã đưa vào các nhóm khoảng cách ưa nước giữa chuỗi chính của polime phosphonic hydrocarbon và các nhóm phosphonic, cho phép chúng duy trì tính không hòa tan trong nước, độ ổn định hóa học và độ dẫn điện phù hợp ngay cả trong điều kiện nhiệt độ cao và độ ẩm thấp. Thêm vào đó, các nhóm khoảng cách ưa nước có khả năng đẩy nước hiệu quả, garantindo tính ổn định của vật liệu.
So với màng phosphonic polystyrene không có nhóm khoảng cách ưa nước và màng polystyrene sulfon hóa thương mại, màng mới có độ không hòa tan trong nước rõ rệt hơn trong nước nóng. Trưởng nhóm nghiên cứu Atsushi Noro cho biết, trong điều kiện 120℃ và độ ẩm tương đối 20%, độ dẫn điện của màng phát triển cao gấp 40 lần so với màng phosphonic polystyrene và cao gấp 4 lần so với màng polystyrene sulfon hóa chéo. Tìm kiếm một loại tế bào nhiên liệu có khả năng hoạt động trong điều kiện độ ẩm thấp và nhiệt độ cao sẽ mang lại nhiều lợi thế cho xe ô tô tế bào nhiên liệu:
Đầu tiên, phản ứng trên điện cực của tế bào nhiên liệu diễn ra nhanh hơn ở nhiệt độ cao hơn, từ đó cải thiện tổng thể hiệu suất và tăng hiệu suất phát điện.
Thứ hai, giảm ngộ độc carbon monoxide trên điện cực. Vì lượng carbon monoxide nhỏ trong nhiên liệu hydro có thể hấp phụ lên chất xúc tác ở nhiệt độ thấp hơn, nhưng sẽ không xảy ra ở nhiệt độ cao hơn.
Thứ ba, khả năng tản nhiệt hiệu quả hơn ở nhiệt độ cao, có lợi cho tế bào nhiên liệu. Điều này có thể đơn giản hóa thiết kế hệ thống làm mát, không cần làm ẩm từ bên ngoài, từ đó giúp hệ thống nhẹ và gọn gàng hơn.
Khái niệm thiết kế màng điện phân được đề xuất trong nghiên cứu này sẽ hỗ trợ phát triển thế hệ tế bào nhiên liệu tiếp theo, từ đó góp phần chuyển đổi sang xã hội carbon trung tính. Các nhà nghiên cứu đã gửi đơn xin cấp bằng sáng chế cho các tài liệu liên quan đến khái niệm thiết kế được đề xuất.