Proton değişim membranlı yakıt hücreleri (PEMFC’ler), ulaşım sektöründe karbon emisyonlarını azaltmak için gelecek vaat eden bir enerji çözümüdür. Bu hücreler elektrolit görevi gören polimer malzemelere dayalı proton (H+) ileten bir zar bulundurur. PEMFC’ler önemli kazanımlara sahip olsa bile büyük ölçekte uygulanabilmeleri için maliyetlerinin, dayanıklılıklarının ve onları çalıştırmak için gereken yakıtın iyileştirilmesi gerekecektir.
Los Alamos Ulusal Laboratuvarı’ndaki (LANL) araştırmacılar yakın tarihte PEMFC’lerin verim ve dayanıklılığını azımsanmayacak ölçüde artırabilen yeni elektrotlar geliştirdiler. Nature Energy dergisinde sunulan bu elektrotlar hem oksijen hem de proton iletimini kolaylaştırabilen karakteristik yivli bir konformasyon bulundurur.
PEMFC’ler özellikle uzak ulaşım sektörünün sebep olduğu karbon emisyonunu düşürmek için başta gelen seçeneklerden biridir fakat yaygın dağıtım, kullanım ömrü, yakıt ekonomisi ve maliyet bakımından daha iyi hale getirilmelidir. Burada H+ transferi için yüksek iyonomer (iyon ileten bağlayıcı) içeriğini hızlı O2 aktarmak için oluklarla birleştirilerek PEMFC verimini ve dayanıklılığını artıran farklı yivli bir elektrot yapısı sunuldu.
Araştırmacılardan Jacob Spendelow “Geleneksel elektrotların performansının oksijen ve protonlar gibi türlerin taşınmasıyla sınırlı olduğunu biliyorduk ve 1990’larda LANL’de karbon destekli bir platin katalizörün nasıl birleştirileceğini keşfeden meslektaşlarımızın tarihi çalışmasından ilham alarak proton iletken iyonomer yapısı ile oynayarak büyük performans iyileştirmeleri elde ettik. Ayrıca 30 yıl sonra, son teknoloji ürünü elektrotların hala aynı yapıyı kullanması biraz şaşırtıcı. Bu nedenle hem oksijen hem de proton taşınmasını hızlandırmak için rasyonel bir tasarım yaklaşımı kullanarak yapıyı yeniden tasarlamaya başladık.” dedi.
Spendelow ve meslektaşları aracılığıyla tasarımı yapılan yivli elektrotlar, özünde boş girintilere ayrılmış karbon destekli platin katalizörlerden oluşan birçok sayıda mikro ölçekli çıkıntıya sahiptir. Benzersiz konfigürasyonları sayesinde, oksijenin ve protonların taşınmasını yapılarının farklı bölgelerinde daha etkili bir şekilde gerçekleştirebilirler.
Spendelow, “Geleneksel elektrotlar, elektrotun tüm kısımlarından oksijen ve protonların karışık taşınmasını gerektirir; bu, proton ileten iyonomer oksijenin taşınmasını engellediğinden, bazı tasarım tavizleri gerektirir. Oksijen ve proton taşınmasını ayırarak, yivli elektrot tasarımı, elektrotun bazı bölümlerinin (oluklar) oksijen taşınmasına olanak tanırken, diğer parçalar (çıkıntılar) proton taşınması için optimize edilmiştir. Bu ‘böl ve fethet’ yaklaşımı, daha hızlı taşıma ve daha yüksek performans sağlar.” dedi.
Araştırmacılar, yivli elektrotlarını yakıt hücreleri için standart çalışma ortamlarında yürütülen birtakım testte değerlendirdiler. Performanslarının geleneksel elektrotlardan %50’ye kadar daha verimli olduğunu ve oksijenin taşınmasını kolaylaştırabileceklerini kimyasal reaksiyonların monotonluğunu daha iyi hale getirebileceklerini fark ettiler. Ayrıca yivli elektrotların, bir karbon korozyon testinin ardından performansları azalmadığından, eş değerlerine nazaran daha dayanıklı olduğu gözlemlendi.
Spendelow, “Araştırmacılar yeni malzemelerin geliştirilmesiyle yakıt hücresi performansını ve dayanıklılığını artırmayı hedefliyor. Yeni materyaller kesinlikle yardımcı oluyor, ancak çalışmalarımız elektrot yapısının da aynı derecede önemli olduğunu gösteriyor.”
Bu araştırma ekibi tarafından elde edilen veriler fazlasıyla umut vericidir ve yivli elektrotların PEMFC’lerin hem performansını hem de dayanıklılığını ciddi bir oranda artırmaya yardımcı olurken ayrıca boyutlarını ve üretim maliyetlerini imkanlar dahilinde düşürmeye yardımcı olabileceğini düşündürmektedir. Buna ek olarak ilk örneklerini oluşturma amacıyla kullanılan mikro fabrikasyonun daha büyük bir boyutta uygulanması güç olacağından, son faaliyetler sadece bir kavram ispatıdır.
Spendelow, “Bu konsepti laboratuvardan üretim hattına taşımak için yivli elektrot yapısının rulodan ruloya üretimi konusunda daha fazla çalışmaya ihtiyaç var. Aynı zamanda, yivli elektrotunkinden bile daha yüksek performans ve dayanıklılığa sahip yeni elektrot mimarileri geliştirme girişiminde rasyonel elektrot tasarımı üzerine bazı başka fikirlerin peşinden gidiyoruz.” dedi.
Kaynaklar