سلول سوختی هیدروژنی جدید چینیها ۴ برابر بیشتر برق تولید میکند
پژوهشگران چینی یک سلول سوختی هیدروژنی جدید از نوع غشای تبادل پروتون (PEM) توسعه دادهاند که به گفته آنها میتواند توان خروجی را در شرایط استاندارد به حدود چهار برابر سلولهای سوختی متداول برساند. این فناوری با ایجاد یک رابط جدید برای انتقال سریعتر پروتونها در لایه کاتالیست با هدف افزایش چگالی توان و کاهش اندازه و وزن سامانههای پیل سوختی توسعه یافته است.
به گروه ترجمه خبرگزاری برنا به نقل از اینترستینگ اینجینیرینگ، این دستاورد میتواند برای کاربردهایی که وزن، فضای نصب و چگالی توان اهمیت زیادی دارند از جمله خودروهای هیدروژنی و سامانههای انرژی مورد استفاده در صنایع هوافضا اهمیت داشته باشد.
مشکل اصلی سرعت انتقال پروتون در لایه کاتالیست
سلولهای سوختی غشای تبادل پروتون معمولا در دمای حدود ۶۰ تا ۸۰ درجه سانتیگراد کار میکنند و میتوانند حدود ۵۰ تا ۶۰ درصد انرژی ذخیرهشده در هیدروژن را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند.
فرایند تولید برق در این سلولها از آند آغاز میشود؛ جایی که مولکولهای هیدروژن به پروتون و الکترون تفکیک میشوند. پروتونها از طریق غشای الکترولیت به سمت کاتد حرکت میکنند در حالی که الکترونها از یک مدار خارجی عبور میکنند و جریان الکتریکی را به وجود میآورند. در سمت کاتد نیز پروتونها و الکترونها با اکسیژن ترکیب میشوند و آب تولید میکنند.
با وجود این سازوکار لایه کاتالیست یکی از بخشهای چالشبرانگیز سلولهای سوختی است. موادی مانند Nafion میتوانند در مقیاس نانو سطح کاتالیست را به شکل متراکم احاطه کنند و در نتیجه سرعت انتقال پروتونها به محلهای واکنش را کاهش دهند.
پژوهشگران موسسه فناوری پکن (BIT) برای حل این مشکل یک رابط جدید بر پایه اسید برونستد باز لوئیس (Brønsted acid Lewis base) طراحی کردهاند که به گفته آنها محلهای بیشتری برای انتقال پروتون ایجاد میکند.
افزایش ۱۰ برابری انتشار پروتون
نتایج آزمایشهای انجامشده روی این ماده نشان داده است که سرعت انتشار پروتون در ساختار جدید حدود ۱۰ برابر افزایش یافته و رسانایی پروتونی نیز ۶.۵ برابر بیشتر شده است.
همچنین انرژی فعالسازی مورد نیاز برای انتقال پروتون بیش از نصف کاهش یافته است؛ موضوعی که میتواند حرکت پروتونها در سلول را تسهیل و در نهایت عملکرد الکتروشیمیایی آن را تقویت کند.
لی جی، استادیار موسسه فناوری پکن و یکی از نویسندگان این پژوهش گفت این فناوری میتواند به کوچکتر و سبکتر شدن مجموعه سلولهای سوختی مورد استفاده در خودروها منجر شود و در عین حال امکان دستیابی به توان خروجی پیوسته بیشتر و برد حرکتی طولانیتر را فراهم کند.
در شرایط استاندارد عملیاتی سلول سوختی جدید توان خروجی ۰.۷۵ وات بر سانتیمتر مربع در ولتاژ ۰.۷ ولت را به ثبت رساند.
پژوهشگران میگویند این رقم تقریبا چهار برابر توان خروجی سلولهای سوختی متداول است.
یکی دیگر از شاخصهای مهم این فناوری میزان توان تولیدشده به ازای جرم پلاتین است. این سامانه به ۶.۹ کیلووات به ازای هر گرم پلاتین دست یافت؛ شاخصی که از آن جهت اهمیت دارد که پلاتین یکی از مواد گرانقیمت مورد استفاده بهعنوان کاتالیست در سلولهای سوختی است.
به گفته پژوهشگران آزمایشهای دوام نیز نتایج امیدوارکنندهای داشته است. پس از انجام ۳۰ هزار چرخه آزمایش تنش شتابیافته، سامانه جدید توانست ۶۳ درصد از بیشینه توان اولیه خود را حفظ کند. این میزان در نمونههای متداول تحت شرایط آزمایشی مشابه تنها حدود ۳۰ درصد گزارش شده است.
امکان تولید در مقیاس بزرگتر
یکی از پرسشهای مهم درباره فناوریهای جدید سلول سوختی امکان تولید ماده مورد استفاده در مقیاس صنعتی است.
پژوهشگران موسسه فناوری پکن میگویند ماده کامپوزیتی مورد استفاده در این فناوری قابلیت تولید در مقیاس عملی را دارد. لی جی در این زمینه گفت تیم پژوهشی در شرایط آزمایشگاهی میتواند حدود ۱۰۰ گرم از این ماده را طی سه روز تولید کند و این مقدار برای ساخت ۱۰ استک سلول سوختی در کلاس ۱۰۰ کیلووات کافی است.
با این حال تولید آزمایشگاهی همچنان با تولید صنعتی در مقیاس بالا تفاوت دارد و تجاریسازی این فناوری نیازمند بررسی هزینه، قابلیت تولید انبوه، دوام و ایمنی در شرایط واقعی خواهد بود.
کاربرد احتمالی در هوافضا
پژوهشگران معتقدند افزایش چگالی توان این سلول سوختی میتواند کاربرد آن را به خودروهای جادهای محدود نکند.
در سامانههای هوافضایی، وزن و حجم تجهیزات از عوامل مهم در طراحی سامانه انرژی هستند. از این رو افزایش توان تولیدی در واحد حجم میتواند امکان استفاده از مجموعههای کوچکتر و سبکتر را فراهم کند.
به گفته لی جی این فناوری برای سامانههای انرژی هوافضایی که از اکسیژن مایع استفاده میکنند نیز میتواند مورد توجه باشد، زیرا انتقال مؤثرتر پروتون میتواند بر عملکرد کلی سلول سوختی اثر بگذارد.
او گفت هدف فناوری جدید تولید توان با بازده و چگالی توان بالاتر در یک مجموعه کوچکتر است؛ ویژگیای که با نیازهای سامانههای انرژی هوافضایی همخوانی دارد.
چین به دنبال گسترش ناوگان خودروهای هیدروژنی
توسعه این فناوری در شرایطی انجام شده است که صنعت هیدروژن چین در سالهای اخیر در حال گسترش است.
بر اساس اطلاعات ارائهشده در این گزارش ظرفیت تولید هیدروژن چین تا پایان سال ۲۰۲۵ از ۵۱ میلیون تن در سال فراتر رفته است. این کشور همچنین ۵۳ درصد از پروژههای هیدروژن تجدیدپذیر مبتنی بر الکترولیز را به خود اختصاص داده است.
در بخش حملونقل نیز تا پایان سال ۲۰۲۵ حدود ۳۲ هزار خودروی سلول سوختی در چین در حال فعالیت بودهاند.
همچنین در مارس ۲۰۲۶ سه وزارتخانه دولت مرکزی چین هدفگذاری کردند که تعداد خودروهای سلول سوختی این کشور تا سال ۲۰۳۰ به ۱۰۰ هزار دستگاه برسد. این نهادها همچنین کاهش قیمت هیدروژن به کمتر از ۲۵ یوان، معادل حدود ۳.۵ دلار به ازای هر کیلوگرم را دنبال میکنند.
چالش اصلی عبور از آزمایشگاه به صنعت
با وجود نتایج بهدستآمده فناوری جدید هنوز برای ورود گسترده به بازار باید چند مرحله مهم را پشت سر بگذارد. مهمترین مسئله اثبات امکان تولید اقتصادی در مقیاس صنعتی و حفظ عملکرد، ایمنی و قابلیت اطمینان سلول در استفاده طولانیمدت است.
لی جی معتقد است خودروهای سلول سوختی لزوماً نباید با خودروهای برقی باتریمحور در تمام کاربردها رقابت کنند. به گفته او خودروهای باتریمحور برای سفرهای کوتاه مناسبترند در حالی که سلولهای سوختی میتوانند برای کامیونهای سنگین، مسیرهای طولانی و کاربردهایی که به سوختگیری سریع و برد زیاد نیاز دارند مزیت داشته باشند.
تیم پژوهشی در گام بعدی قصد دارد استکهای سلول سوختی با عملکرد بالا را برای کاربردهای مختلف تولید و آزمایش کند و همزمان تولید مواد مرتبط و فناوری ساخت آنها را افزایش دهد تا امکان تبدیل این دستاورد آزمایشگاهی به محصولات واقعی بررسی شود.
نتایج این پژوهش در مجله علمی Science منتشر شده است.
انتهای پیام/
