Yakıt Hücrelerinde Büyük İlerleme: Ömür Uzatan Kritik Buluş
Chalmers Üniversitesi araştırmacıları, hidrojen yakıt hücrelerindeki bozunma süreçlerini incelemek ve anlamak için bir yöntem geliştirdiler ve bu da hidrojenle çalışan araçların ömrünü uzatabilecek gelişmelere yol açabilir.
Hidrojen, ağır hizmet tipi araçlar için cazip bir yakıt alternatifi haline geldi. Hidrojenle çalışan araçlar egzoz olarak yalnızca su buharı yayar ve hidrojen yenilenebilir enerji kullanılarak üretildiğinde, tamamen karbondioksit emisyonlarından arındırılmış olurlar. Pille çalışan elektrikli araçların aksine, hidrojenle çalışan araçlar elektrik şebekesini zorlamaz çünkü elektrik ucuz olduğunda hidrojen üretilebilir ve depolanabilir.
Bazı hidrojenle çalışan araçlarda, itme gücü yakıt hücresi olarak bilinen bir şey tarafından sağlanır. Ne yazık ki, bu hidrojen yakıt hücresiyle çalışan araçların ömrü nispeten kısadır çünkü elektrotlar ve membranlar gibi yakıt hücresi bileşenleri zamanla bozulur.
Araştırmacıların yakıt hücresini izlemek için bir kontrol sistemi inşa ettiği laboratuvarda Linnéa Strandberg. Kredi: Chalmers Teknoloji Üniversitesi | Henrik Sandsjö
Gerçekler: Yakıt Hücresi Nasıl Çalışır
Yakıt hücresinin çekirdeği, ortada iyon iletken bir membran bulunan iki elektrot (sırasıyla anot ve katot) olmak üzere üç aktif katmandan oluşur. Her bir hücre yaklaşık 1 voltluk bir voltaj sağlar. Elektrotlar katalizör malzemesi içerir ve bunlara hidrojen ve oksijen eklenir. Ortaya çıkan elektrokimyasal işlem, bir aracı çalıştırmak için kullanılabilen temiz su ve elektrik üretir.
Yakıt Hücresi Dayanıklılığı Araştırmalarındaki Gelişmeler
Şimdi, İsveç’teki Chalmers Teknoloji Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, kullanım sırasında yakıt hücresindeki belirli bir parçacığı izleyerek yakıt hücrelerinin yaşlanmasını neyin etkilediğini incelemek için yeni bir yöntem geliştirdiler. Araştırmacılar, düzenli aralıklarla parçalara ayırarak tüm bir yakıt hücresini incelediler.
Daha sonra gelişmiş elektron mikroskopları kullanarak, katot elektrodunun kullanım döngüleri sırasında belirli alanlarda nasıl bozulduğunu takip edebildiler. Daha önceki çalışmalar, yakıt hücresinin yarısına benzeyen (ancak aynı olmayan) ve gerçek yakıt hücresinden önemli ölçüde farklı koşullar altında gerçekleştirilen sözde yarı hücreler üzerinde yapıldı.
Taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve transmisyon elektron mikroskobu (TEM) kullanan araştırmacılar, standart bir stres testi gerçekleştirirken elektrotun kullanım sırasında nasıl bozulduğunu gösterebildiler. Üst iki sıradaki elektrot filminde çatlakların nasıl büyüdüğü açıktır. Alt sırada karbon substratlar ve platin parçacıkları görülebilir. Kullanım sırasında karbon hacim olarak azalır ve şekil değiştirirken platin parçacıkları büyür. Sağdaki grafikler, verilerin elektrokimyasal performansla nasıl ilişkili olduğunu göstermektedir. Kaynak: Chalmers Teknoloji Üniversitesi | Linnéa Strandberg
Yakıt Hücresi Analizinde Çığır Açan Gelişme
Chalmers Fizik Bölümü’nde Doçent olan baş araştırmacı Björn Wickman şunları söyledi: “Daha önce yakıt hücresinin bizim yaptığımız şekilde sökülüp incelenmesinin performansı etkileyeceği varsayılmıştı, ancak bu varsayımın doğru olmadığı ortaya çıktı, bu da şaşırtıcı.”
Ekip, yakıt hücresindeki malzemenin hem nano hem de mikro düzeyde nasıl bozulduğunu araştırabildi ve bozulmanın tam olarak ne zaman ve nerede meydana geldiğini saptayabildi. Bu, daha uzun ömürlü yeni ve geliştirilmiş yakıt hücrelerinin geliştirilmesi için değerli bilgiler sağlıyor.
Numune, stres testinden sonra taramalı elektron mikroskobunda analiz edilmek üzere hücre yuvasından alınır. Kredi: Chalmers Teknoloji Üniversitesi | Lisa Gahnertz
Chalmers’daki doktora öğrencisi Linnéa Strandberg, “Daha önce yalnızca yakıt hücresinin kullanımdan sonra nasıl eskidiğine bakıyorduk, şimdi orta aşamaya bakabiliyoruz,” diyor. “Belirli bir alandaki tek, seçilmiş bir parçacığı takip edebilmek, bozunma süreçleri hakkında çok daha iyi bir anlayış sağladı. Bunlar hakkında daha fazla bilgi sahibi olmak, yakıt hücreleri için yeni malzemeler tasarlamak veya yakıt hücresinin kontrolünü ayarlamak yolunda önemli bir adımdır.”
Taramalı elektron mikroskobundan sonra, hücre muhafazası, daha ileri stres testleri için numuneyle birlikte monte edilir. Kredi: Chalmers Teknoloji Üniversitesi | Lisa Gahnertz
Hidrojen Yakıt Hücresi Teknolojisi için Gelecekteki Yönler
ABD Enerji Bakanlığı (DOE), yakıt hücresiyle çalışan hidrojen araçlarının ticari olarak başarılı olabilmesi için ulaşılması gereken en önemli hedeflerden birinin yakıt hücrelerinin ömrünün uzatılması olduğunu belirtti. Sektöre göre, bir kamyonun ömrü boyunca 20.000 – 30.000 saatlik sürüşe dayanabilmesi gerekiyor ve yakıt hücresiyle çalışan bir hidrojen kamyonu bugün bunu başaramıyor.
“Artık daha iyi yakıt hücrelerinin geliştirilmesi için üzerine inşa edeceğimiz bir temel oluşturduk. Artık yakıt hücresinde gerçekleşen süreçler ve yakıt hücresinin ömrü boyunca hangi noktada meydana geldikleri hakkında daha fazla şey biliyoruz. Gelecekte, bu yöntem yakıt hücresine daha uzun bir ömür kazandırabilecek yeni malzemeler geliştirmek ve incelemek için kullanılacak,” diyor Björn Wickman.
Araştırma üç farklı bilimsel makalede sunulmuştur:
ACS Catalysis’te yayınlanan “PEMFK’lerde Karbon Destek Korozyonu ve Ardından Aynı Konumdaki Elektron Mikroskobu”.
Journal of Material Chemistry’de yayınlanan “Benzer konumlu transmisyon elektron mikroskobu ile takip edilen yakıt hücresi elektrot bozulması”.
ACS Applied Energy Materials’ta yayınlanan “Benzer Konumlu Taramalı Elektron Mikroskobu ile İncelenen Proton Değişim Membranlı (PEM) Yakıt Hücresindeki Katodik Katalitik Katman Üzerindeki Hızlandırılmış Stres Testlerinin Etkisi”.
Kaynak: https://scitechdaily.com
Bitki Biyolojisi Yenilenebilir Enerjide Nasıl Devrim Yaratabilir?