Çinli bilim insanları, geleneksel tasarımlara kıyasla yaklaşık dört kat daha yüksek güç üretebilen yeni bir proton değişim membranlı (PEM) yakıt hücresi geliştirdi. Teknolojinin, hidrojen yakıt hücrelerinin özellikle ağır taşıtlar, uzun menzil gerektiren araçlar ve havacılık uygulamalarında daha küçük ve hafif sistemlerle kullanılmasının önünü açabileceği belirtiliyor. Protonların hareketi hızlandırıldı Pekin Teknoloji Enstitüsü (BIT) araştırmacılarının geliştirdiği sistem, hidrojen yakıt hücrelerinde uzun süredir önemli bir darboğaz oluşturan protonların katalizör tabakası içerisindeki hareketini hızlandırmaya odaklanıyor.
Ekip, protonların reaksiyon bölgelerine daha hızlı ulaşmasını sağlayan yeni bir malzeme arayüzü tasarladı. Araştırmanın ortak yazarlarından BIT'den yardımcı doçent Li Jie, yeni teknolojinin yakıt hücreli araçlarda kullanılan güç yığınının daha küçük ve hafif hale getirilebileceğini, bununla birlikte daha yüksek sürekli güç çıkışı ve daha uzun menzil sağlayabileceğini belirtti. PEM yakıt hücrelerinde hidrojen, anot bölümünde proton ve elektronlara ayrılıyor.
Protonlar elektrolit membranı üzerinden katoda ilerlerken elektronlar harici bir devreden geçerek elektrik üretiyor. Katot bölümünde ise protonlar ve elektronlar oksijenle birleşerek su oluşturuyor. Yakıt hücrelerinin performansını sınırlayan önemli noktalardan biri katalizör tabakası olarak öne çıkıyor.
Nafion gibi geleneksel malzemeler, nano ölçekte katalizörleri yoğun şekilde çevreleyerek protonların reaksiyon bölgelerine ulaşmasını zorlaştırabiliyor. BIT ekibi bu sorunu aşmak için bir Brønsted asit-Lewis baz arayüzü geliştirdi. Bu yapı, proton transferi için ek bölgeler oluşturarak protonların hücre içerisindeki hareketini kolaylaştırıyor.
Deneylerde yeni malzemenin proton difüzyon hızını 10 kat, proton iletkenliğini ise 6,5 kat artırdığı görüldü. Aynı zamanda protonların hareketi için gereken aktivasyon enerjisi yarıdan fazla azaltıldı. Geleneksel yakıt hücrelerine göre dört kat daha fazla güç Yeni yakıt hücresi, standart çalışma koşullarında 0,7 volt gerilimde 0,75 watt/cm² güç yoğunluğuna ulaştı.
Bu değer, geleneksel tasarımların yaklaşık dört katı seviyesinde. Sistem, platin kullanımının verimliliği açısından da dikkat çekici sonuçlar verdi. Yakıt hücresi gram başına 6,9 kW güç üretirken, bu değer pahalı bir katalizör olan platinin daha verimli kullanılabileceğine işaret ediyor.
Dayanıklılık testleri de yeni tasarımın avantajlarını ortaya koydu. Hızlandırılmış stres testindeki 30.000 çevrimin ardından yeni sistem başlangıçtaki maksimum gücünün yüzde 63'ünü korudu. Aynı koşullarda geleneksel sistemlerde bu oran yalnızca yüzde 30 seviyesinde kaldı.
Araştırmacılar, geliştirilen kompozit malzemenin laboratuvar ortamında pratik ölçekte üretilebildiğini de belirtiyor. Li Jie'ye göre ekip şu anda üç gün içerisinde yaklaşık 100 gram malzeme üretebiliyor ve bu miktar 100 kW sınıfında 10 yakıt hücresi yığını için yeterli. Teknoloji havacılıkta da kullanılabilir Yeni teknolojinin yalnızca kara taşıtlarıyla sınırlı kalmayabileceği düşünülüyor.
Özellikle ağırlık, kapladığı alan ve güç yoğunluğunun kritik olduğu havacılık uygulamaları önemli bir potansiyel kullanım alanı oluşturuyor. Araştırmacılar, sıvı oksijen kullanan havacılık sistemlerinde daha yüksek güç yoğunluğunun önemli avantaj sağlayabileceğini belirtiyor. En büyük soru işareti seri üretim Yeni teknoloji laboratuvar testlerinde önemli sonuçlar ortaya koysa da ticari kullanıma geçiş için önünde bazı önemli aşamalar bulunuyor.
Araştırmacıların, malzemenin endüstriyel ölçekte ekonomik şekilde üretilebildiğini ve yakıt hücrelerinin uzun süreli kullanımda güvenilirliğini kanıtlaması gerekiyor. Li Jie, yakıt hücreli araçların bataryalı elektrikli araçları tamamen kopyalaması gerekmediğini belirterek hidrojen teknolojisinin özellikle ağır kamyonlar, uzun mesafeli taşımacılık, hızlı yakıt ikmali ve uzun menzil gerektiren kullanım alanlarında avantaj sağlayabileceğini ifade etti. Ekip bir sonraki aşamada farklı kullanım senaryoları için yüksek performanslı yakıt hücresi yığınları geliştirmeyi ve test etmeyi planlıyor.
Bunun yanında yeni malzemelerin üretimini ölçeklendirmek ve teknolojiyi gerçek dünya ürünlerine dönüştürmek de araştırmanın sonraki hedefleri arasında yer alıyor.
