Κινέζοι επιστήμονες τετραπλασιάζουν την ισχύ των κυψελών καυσίμου υδρογόνου με νέο σχεδιασμό

Σύνταξη – επιμέλεια: Στέλιος Βασιλούδης

Οι επιστήμονες ανέπτυξαν έναν τρόπο για να παράγουν τετραπλάσια αύξηση στην ισχύ εξόδου των κυψελών καυσίμου υδρογόνου, μια πρόοδος που θα μπορούσε να διευρύνει τη χρήση τους από τα οχήματα έως τις διαστημικές αποστολές.

Το υδρογόνο θεωρείται ευρέως ως μια πολλά υποσχόμενη πηγή καθαρής ενέργειας για ένα μέλλον χαμηλών εκπομπών άνθρακα. Τα στοιχεία καυσίμου μετατρέπουν τη χημική ενέργεια του υδρογόνου απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια, παράγοντας νερό ως το μόνο απόβλητο.

Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Science, ερευνητές του Τεχνολογικού Ινστιτούτου του Πεκίνου (BIT) ανέφεραν μια σημαντική πρόοδο στις κυψέλες καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC), τον τύπο που χρησιμοποιείται ήδη σε πολλά οχήματα που κινούνται με υδρογόνο.

Ο Li Jie, αναπληρωτής καθηγητής στο BIT και ένας από τους συγγραφείς της εργασίας, δήλωσε ότι με τη νέα τεχνολογία, «η συστοιχία ισχύος ενός οχήματος κυψελών καυσίμου μπορεί να γίνει μικρότερη και ελαφρύτερη, και το όχημα μπορεί να αποκτήσει ισχυρότερη συνεχή ισχύ και μεγαλύτερη αυτονομία οδήγησης».

Τα PEMFC λειτουργούν σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες – γενικά μεταξύ 60 και 80 βαθμών Κελσίου. Μπορούν να μετατρέψουν περίπου το 50 έως 60 % της ενέργειας του καύσιμου υδρογόνου τους σε ηλεκτρική ενέργεια Η διαδικασία είναι απλή: Στην άνοδο, τα μόρια υδρογόνου αποδίδουν ηλεκτρόνια και γίνονται πρωτόνια. Ενώ τα πρωτόνια διέρχονται από μια μεμβράνη ηλεκτρολύτη προς την κάθοδο, τα ηλεκτρόνια ρέουν μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος, παράγοντας ηλεκτρισμό. Στην κάθοδο, τα πρωτόνια, τα ηλεκτρόνια και το οξυγόνο ενώνονται για να σχηματίσουν νερό.

Το εμπόδιο έγκειται στην ταχύτητα με την οποία τα πρωτόνια μπορούν να κινηθούν μέσω του στρώματος του καταλύτη – του τμήματος της κυψέλης καυσίμου όπου λαμβάνουν χώρα χημικές αντιδράσεις.  Τα επί χρόνια χρησιμοποιούμενα υλικά βιομηχανικού προτύπου όπως το Nafion – ένα συνθετικό πολυμερές που χρησιμοποιείται συνήθως ως αγωγός πρωτονίων – τείνουν να σχηματίζουν σφιχτά συσκευασμένες δομές σε νανοκλίμακα όταν αναμειγνύονται με καταλύτες. Αυτό μπορεί να επιβραδύνει τη μεταφορά πρωτονίων και να περιορίσει την απόδοση της κυψέλης.

Η κινεζική ομάδα ακολούθησε μια διαφορετική προσέγγιση, σχεδιάζοντας μια νέα διεπαφή που λειτουργεί σαν αγώνας σκυταλοδρομίας. Αντί να ταξιδεύουν απευθείας στην επιφάνεια του καταλύτη, τα πρωτόνια μετακινούνται μεταξύ ενδιάμεσων «νησιών». Αυτή η διάταξη – γνωστή ως διεπαφή οξέος-βάσης Brønsted-Lewis – επιταχύνει σημαντικά την κίνηση των πρωτονίων.

Εργαστηριακές δοκιμές διαπίστωσαν ότι το νέο υλικό αύξησε στο δεκαπλάσιο τη διάχυση πρωτονίων, βελτίωσε την αγωγιμότητα τους κατά 6,5 φορές και μείωσε περισσότερο από το μισό την ενέργεια ενεργοποίησης – το ενεργειακό φράγμα που πρέπει να ξεπεράσουν τα πρωτόνια πριν συμβεί μια χημική αντίδραση.

Υπό τυπικές συνθήκες λειτουργίας, ο νέος σχεδιασμός κυψελών καυσίμου παρήγαγε τέσσερις φορές περισσότερη ισχύ από τους συμβατικούς σχεδιασμούς. Επέτυχε 0,75 βατ ανά τετραγωνικό εκατοστό στα 0,7 βολτ, χρησιμοποιώντας μόνο μια μικρή ποσότητα πλατίνας, του ακριβού πολύτιμου μετάλλου – καταλυτη που συνήθως απαιτείται στις κυψέλες καυσίμου υδρογόνου. Μετρούμενη με βάση τη χρήση πλατίνας, η συσκευή παρείχε 6,9 κιλοβάτ ισχύος ανά γραμμάριο μετάλλου, ξεπερνώντας την τρέχουσα τεχνολογία κυψελών καυσίμου τελευταίας τεχνολογίας. Μετά από 30.000 κύκλους επιταχυνόμενων δοκιμών καταπόνησης – μια επαναλαμβανόμενη ρουτίνα φόρτισης και εκφόρτισης που επιταχύνει τη γήρανση – διατήρησε το 63% της αρχικής μέγιστης ισχύος της, σε σύγκριση με μόλις 30% για τα συμβατικά συστήματα υπό πανομοιότυπες συνθήκες λειτουργίας.

Αυτό το σύνθετο υλικό είναι ιδανικό για μαζική παραγωγή. «Στο εργαστήριο αυτή τη στιγμή, μπορούν να κατασκευάσουν περίπου 100 γραμμάρια σε τρεις ημέρες. Αυτό είναι αρκετό για μια συστοιχία 10 μονάδων κλάσης 100 κιλοβάτ», δήλωσε ο Li Jie. Οι ερευνητές ανέφεραν ότι οι βελτιώσεις θα μπορούσαν να είναι ιδιαίτερα πολύτιμες σε απαιτητικές εφαρμογές όπως οι διαστημικές αποστολές που χρησιμοποιούν υγρό οξυγόνο, όπου η απόδοση των κυψελών καυσίμου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το πόσο αποτελεσματικά κινούνται τα πρωτόνια μέσω της συσκευής. «Η τεχνολογία μας εξετάζει τον τρόπο παραγωγής ενέργειας με υψηλότερη απόδοση και υψηλότερη πυκνότητα ισχύος μέσα σε μικρότερο όγκο μοναδων. Αυτό ταιριάζει με τις ανάγκες των συστημάτων αεροδιαστημικής ενέργειας», δήλωσε ο Li Jie.

Η σημαντική αυτή εξέλιξη έρχεται καθώς ο τομέας υδρογόνου της Κίνας επεκτείνεται. Μέχρι το τέλος του 2025, η παραγωγική ικανότητα υδρογόνου της χώρας ξεπέρασε τους 51 εκατομμύρια τόνους ετησίως, ενώ η Κίνα αντιπροσώπευε το 53% των έργων υδρογόνου που τροφοδοτούνται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και βασίζονται στην ηλεκτρόλυση.

Τον Αύγουστο ανακοινώθηκε ότι σύμφωνα με το China Electric Power News, περισσότεροι από 130 σταθμοί παραγωγής ενέργειας από κυψέλες καυσίμου υδρογόνου λειτουργούσαν στη χώρα το τέλος του 2025, με συνολική εγκατεστημένη ισχύ που ξεπερνούσε τα 30 μεγαβάτ. Σχεδιάζονται επίσης περισσότεροι από 20 αγωγοί υδρογόνου μεγάλων αποστάσεων σε εθνικό επίπεδο.

Η έκθεση εργασίας της κυβέρνησης της Κίνας για το 2026 χαρακτήρισε το υδρογόνο ως «νέο σημείο ανάπτυξης», για πρώτη φορά. Τα επιβατικά οχήματα κυψελών καυσίμου υδρογόνου παραμένουν πολύ λιγότερο συνηθισμένα από τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα με μπαταρία, αλλά η επίσημη υποστήριξη παραμένει ισχυρή. Η χώρα είχε περίπου 32.000 οχήματα κυψελών καυσίμου υδρογόνου στους δρόμους στα τέλη του 2025. Τον Μάρτιο του 2026, τρία υπουργεία της κεντρικής κυβέρνησης έθεσαν στόχο 100.000 τέτοιων οχημάτων έως το 2030. Ζήτησαν επίσης τη μείωση της λιανικής τιμής του υδρογόνου από περισσότερα από 30 γιουάν (4 δολάρια ΗΠΑ) ανά κιλό σε κάτω από 25 γιουάν.

Αυτό θεωρείται το σημείο στο οποίο τα βαρέα φορτηγά που κινούνται με υδρογόνο θα γίνουν φθηνότερα στη λειτουργία από τα μοντέλα ντίζελ καθ’ όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής τους, συμπεριλαμβανομένου του κόστους αγοράς, καυσίμων και συντήρησης. Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν σημαντικά εμπόδια. Οι ερευνητές θα πρέπει να αποδείξουν ότι, εκτός εργαστηρίου, η τεχνολογία μπορεί να κατασκευαστεί σε βιομηχανική κλίμακα, να διατηρηθεί οικονομικά προσιτή και να επικυρωθεί για μακροπρόθεσμη ασφάλεια και αξιοπιστία. «Τα οχήματα κυψελών καυσίμου υδρογόνου δεν χρειάζεται να αντιγράφουν τα ηλεκτρικά οχήματα με μπαταρία. Τα ηλεκτρικά οχήματα με μπαταρία είναι κατάλληλα για σύντομα ταξίδια. Οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου είναι κατάλληλες για βαρέα φορτηγά, μεγάλες αποστάσεις και περιπτώσεις που χρειάζονται γρήγορο ανεφοδιασμό και μεγάλη αυτονομία», δήλωσε ο Li Jie. «Στη συνέχεια, η ομάδα θα κατασκευάσει και θα δοκιμάσει συστοιχίες κυψελών καυσίμου υψηλής απόδοσης για διαφορετικά σενάρια. Θα αναβαθμίσουμε επίσης τα σχετικά υλικά και την τεχνολογία – και θα τα μετατρέψουμε σε πραγματικά προϊόντα», ολοκλήρωσε.