استفاده دانشمندان از تکنیک متالورژی برای ساخت پیل‌های سوختی اکسید جامد با دمای عملیاتی زیر ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد

پیل‌های سوختی اکسید جامد (SOFC) مدت‌هاست که به عنوان هدف نهایی تولید انرژی پاک شناخته می‌شوند. برخلاف موتورهای احتراقی که سوخت‌های فسیلی را می‌سوزانند، SOFCها هیدروژن یا سایر سوخت‌های تجدیدپذیر را مستقیماً از طریق یک واکنش الکتروشیمیایی به برق و گرما تبدیل می‌کنند. این فرآیند تقریباً بی‌صدا، بسیار کارآمد و بدون تولید آلاینده‌های کربنی است. با این حال، با وجود پتانسیل عظیم، SOFCها عمدتاً محدود به کاربردهای صنعتی خاص و محیط‌های آزمایشگاهی باقی مانده‌اند. مانع اصلی برای پذیرش گسترده همیشه گرما بوده است.[3][5]

SOFCهای معمولی برای عملکرد کارآمد به دماهای عملیاتی بسیار بالا – معمولاً بین ۷۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد – نیاز دارند. در این دماهای شدید، مواد سرامیکی داخل پیل‌ها به سرعت تخریب می‌شوند و سیستم‌ها برای مهار واکنش به آلیاژهای گران‌قیمت و تخصصی مقاوم در برابر حرارت نیاز دارند. علاوه بر این، گرمای زیاد منجر به تأخیر طولانی در راه‌اندازی می‌شود، که این فناوری را برای نیازهای برق دینامیک و بر حسب تقاضا، مانند حمل‌ونقل یا ریزشبکه‌های مسکونی، غیرعملی می‌سازد.[5][6]

اکنون، یک پیشرفت که در مجله «Science Advances» منتشر شده است، مسیر فناوری پیل سوختی را به طور اساسی تغییر داده است. تیمی از محققان دانشگاه تگزاس در سن آنتونیو (UTSA) و دانشگاه جیانگسو (Jiangsu University) یک پیل سوختی اکسید جامد طراحی کرده‌اند که قادر است به طور کارآمد در دماهای زیر ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد کار کند. این کاهش چشمگیر در نیازهای حرارتی می‌تواند سرانجام SOFCها را از غول‌های صنعتی گران‌قیمت به منابع برق تجاری مقرون‌به‌صرفه و روزمره تبدیل کند.[1][2]

برای دستیابی به این هدف، تیم تحقیقاتی مجبور شد یکی از قوانین اساسی علم مواد را زیر پا بگذارد. برای دهه‌ها، «قانون طلایی» یونیک‌های حالت جامد حکم می‌کرد که حرکت سریع یون‌ها نیازمند یک شبکه بلوری کامل و بسیار منظم است. دانشمندان معتقد بودند که هرگونه نقص ساختاری، یون‌ها را به دام می‌اندازد و جریان برق را متوقف می‌کند. تیم UTSA، به رهبری دکتر چونگلین چن (Dr. Chonglin Chen)، با وارد کردن عمدی بی‌نظمی به ساختار اتمی، این فرضیه را به چالش کشید.[1][2]

محققان به تکنیکی روی آوردند که از فولادسازی سنتی و متالورژی وام گرفته شده است: کوئنچینگ (Quenching). ابتدا، آن‌ها یک ماده سرامیکی استاندارد پیل سوختی – اکسید سریم-گادولینیوم – را در دمای سوزان ۱۳۰۰ درجه سانتی‌گراد پختند. سپس، این ماده را با فرو بردن مستقیم آن در نیتروژن مایع در دمای تقریباً ۱۹۶- درجه سانتی‌گراد، تحت شوک حرارتی شدید قرار دادند.[1][2]

این نوسان دمایی خشونت‌آمیز و در مقیاس میکروثانیه، ساختار بلوری سخت و شیشه‌مانند ماده را در هم شکست. انجماد سریع، اتم‌ها را در خوشه‌های فوق‌العاده نازک و میکروسکوپی با ضخامت تنها ۰.۶۳ نانومتر قفل کرد. برای درک بهتر، هزاران مورد از این خوشه‌های اتمی نامنظم می‌توانند در عرض یک تار موی انسان روی هم قرار گیرند.[2]

این خوشه‌های «ایزوله‌شده با جای خالی» به جای مانع شدن از جریان انرژی، به عنوان یک بزرگراه برای یون‌های اکسیژن عمل کردند. هنگامی که این ماده تحت شوک حرارتی در دمای ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد آزمایش شد، به یک رسانایی یون اکسیژن بی‌سابقه دست یافت که تقریباً ۱۴۰۰ برابر بیشتر از مواد سرامیکی معمولی بود. مسیرهای نامنظم به یون‌ها اجازه دادند تا با سهولت بی‌سابقه‌ای در ماده نفوذ کنند و نیاز به گرمای شدید برای اجبار واکنش را کاملاً از بین ببرند.[1][2]

مزایای تکنیک کوئنچینگ فراتر از دمای عملیاتی است. گرمای زیاد دشمن اصلی طول عمر پیل سوختی است؛ SOFCهای استاندارد معمولاً به دلیل تنش حرارتی و تخریب مواد، بیش از ۱۳ درصد از توان خروجی خود را در هر ۱۰۰ ساعت استفاده از دست می‌دهند. هنگامی که محققان تنها ۰.۵ درصد وزنی از این نانوخوشه‌های جدید را با کاتد پیل سوختی معمولی ترکیب کردند، تخریب نه تنها متوقف شد، بلکه معکوس گردید. پیل‌های سوختی تقویت‌شده در واقع با ادامه استفاده، ۳.۴ درصد پایدارتر و کارآمدتر شدند و به عنوان یک «سپر اتمی» در برابر فرسایش عمل کردند.[1][2]

این رویکرد متالورژی در یک لحظه حیاتی در رقابت جهانی برای تجاری‌سازی فناوری‌های هیدروژنی با دمای پایین به دست آمده است. کشف UTSA موازی با سایر پیشرفت‌های اخیر است، مانند توسعه یک SOFC با دمای ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد توسط دانشگاه کیوشو (Kyushu University) با استفاده از اکسیدهای دوپ‌شده با اسکاندیم، که اخیراً در «Nature Materials» منتشر شد. این پیشرفت‌ها در مجموع نشان‌دهنده یک تغییر پارادایم است: دوران پیل سوختی با دمای بالا و هزینه بالا به سرعت در حال پایان است.[3][4]

پیامدهای تجاری عملیات زیر ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد بسیار عمیق است. دمای پایین‌تر به تولیدکنندگان این امکان را می‌دهد که آلیاژهای گران‌قیمت و غیرمعمول را با قطعات ارزان‌تر فولاد ضدزنگ جایگزین کنند. همچنین عایق حرارتی مورد نیاز را به شدت کاهش می‌دهد و اندازه فیزیکی واحدهای قدرت را کوچک می‌کند. غول‌های صنعتی و تولیدکنندگان خودرو در حال حاضر استراتژی‌های انرژی پاک خود را برای بهره‌برداری از این سیستم‌های اکسید جامد نسل بعدی تغییر می‌دهند.[6]

با زمان‌های راه‌اندازی سریع‌تر و دوام قوی، SOFCهای با دمای پایین اکنون نامزدهای مناسبی برای کاربردهای دینامیک هستند که باتری‌های سنگین در آن‌ها کم می‌آورند. این کاربردها شامل عمل کردن به عنوان افزایش‌دهنده برد بسیار کارآمد برای کامیون‌های برقی مسیر طولانی، تأمین انرژی کشتی‌های حمل‌ونقل دریایی با آمونیاک سبز، و ارائه برق غیرمتمرکز و بر حسب تقاضا برای ساختمان‌های تجاری و ریزشبکه‌های محلی است.[3][6]

دانشمندان با نگاه به گذشته و هنر متالورژی باستانی کوئنچینگ، یک راه‌حل انرژی آینده‌نگر را کشف کرده‌اند. توانایی مهندسی مواد در سطح اتمی از طریق شوک حرارتی ثابت می‌کند که گاهی اوقات، شکستن قوانین تثبیت‌شده یک ساختار کامل، دقیقاً همان چیزی است که برای ساخت یک شبکه برق پاک‌تر و انعطاف‌پذیرتر مورد نیاز است.[1][3]