Naukowcy z Instytutu Paula Scherrera (PSI) opracowali technikę powlekania w laboratorium, która może spowodować wzrost efektywności ogniw paliwowych wytwarzających energię elektryczną z wodoru i tlenu. Naukowcy zastosowali już swój patent w celu wykorzystania nowej technologii do masowej produkcji.

Reklama

Tlen i wodór transportowane są do elektrod z zewnątrz, jednakże, w drodze do nich gazy napotykają ciekłą wodę, która nieustannie wytwarzana jest w ogniwach i powinna z niego wypływać. Gdy gromadzi się zbyt dużo wody, gazy płyną wolniej, ograniczając w ten sposób wytwarzanie energii elektrycznej. „Nasza nowo opracowana powłoka sprawia, że ​​ciekła woda i gazy przepływają przez materiały porowate w ogniwach paliwowych wykorzystujących oddzielne kanały. Poprawia to wydajność i trwałość ogniw paliwowych” – mówi kierownik badań, Pierre Boillat z laboratorium w PSI.

W ogniwach paliwowych zachodzi zjawisko konwersji energii chemicznej na elektryczną. Produkt końcowy może być z powodzeniem zastosowany do napędu samochodów elektrycznych. W wyniku reakcji zachodzących w ogniwach paliwowych produkowana jest woda, dlatego ten rodzaj zasilania jest dużo bardziej pożądany niż konwencjonalne paliwa emitujące spaliny. Mimo, że samochody korzystające z ogniw paliwowych są masowo produkowane już od 2013 roku, naukowcy na całym świecie dążą do podniesienia efektywności systemów tego rodzaju paliwa oraz obniżenia jego kosztów. Ostatnio zespół badaczy z Instytutu Paula Scherrera (PSI) opracował technikę powlekania, która może spowodować znaczny wzrost wydajności pracy ogniw paliwowych.

Jednym z ważnych aspektów pracy jest usuwanie wody w stanie ciekłym z tych części ogniw paliwowych, gdzie jest niepożądana. Woda, która gromadzi się w porach – warstwie dyfuzyjnej gazów – utrudnia przepływ gazów, a tym samym ogranicza moc komórki. Warstwa dyfuzyjna składa się z włókien węglowych, które między innymi zapewniają transport oraz drobne rozmieszczenie wodoru i tlenu na elektrodach komórki. W powszechnie dostępnych ogniwach paliwowych, włókna węglowe warstwy dyfuzyjnej gazów są zazwyczaj powleczone równomiernie hydrofobowym polimerem, który ma na celu umożliwienie wodzie łatwiejszej ucieczki. W rezultacie jednak woda jest rozproszona, a gazy zmuszone są do przenikania krętymi ścieżkami przez warstwę dyfuzyjną. Spowalnia to znacznie ich prędkość i zmniejsza jednocześnie wydajność. Nowa technika z PSI rozwiązuje ten problem tworząc oddzielne „kanały spływu”, gdzie zbiera się praktycznie cała woda. W pozostałych, suchych kanałach, gazy mogą przepływać szybciej.

Koncepcja badaczy z PSI częściowo odwraca oryginalny zamysł ogniwa, hydrofobową powłokę polimerową zamienili bowiem na powłokę hydrofilową wzdłuż prostej ścieżki. Woda jest zasysana do tych kanałów, podczas gdy pozostałe obszary warstwy dyfuzyjnej gazów pozostają przeważnie suche.  Wiąże się to z transmitowaniem wiązki elektronów przez maskę lub siatkę metalową, aby utworzyć dwa odrębne obszary. W miejscach, w których wiązka przechodzi przez siatkę, pierwotna powłoka może być później zmieniona, tak aby utworzyć kanały hydrofilowe. Natomiast w miejscach, w których wiązka nie przechodzi przez siatkę – pierwotny polimer pozostanie hydrofobowy.

Sposób opracowany przez grupę badaczy z PSI, mający na celu przyłączanie cząsteczek aktywnych za pomocą wiązki elektronów, jest opisany przez nich „promieniowaniem przeszczepiania”. Jest on podobny do procesu szczepienia w ogrodnictwie, gdzie jedne rośliny są szczepione na innych, które są solidniejsze w podstawie. W tym przypadku cząsteczki hydrofilowe dostarczają polimerowi bazowemu pożądanych właściwości „cieczolubnych”. Praca była finansowana przez Szwajcarską Narodową Fundację Nauki (SNSF), a naukowcy opatentowali już swój pomysł i przystosowali do masowej produkcji.