Napretci u znanosti o materijalima za gorivne ćelije

Uloga nanotehnologije u poboljšanju materijala za gorivne ćelije

Materijali za gorivne ćelije prolaze kroz značajna poboljšanja zahvaljujući tehnici inženjeringa na nanorazini. Kada znanstvenici rade s strukturama na atomskoj razini, uspjeli su povećati ionsku vodljivost membrana otprilike za 15%, istovremeno čineći katalizatorske slojeve oko 40% tanjima u odnosu na prethodno moguće. Nedavna istraživanja Instituta Fraunhofer IPT iz 2024. godine pokazala su još jednu zanimljivost: dodavanje grafenskog oksida bipolarnim pločama smanjuje međufazni otpor za otprilike 27%. To je važno jer pomaže u ravnomjernijoj distribuciji topline kroz sustav, što je ključno za održavanje učinkovitog rada gorivnih ćelija tijekom vremena.

Inovacije u membranama za izmjenu protona (PEM)

Najnovije membrane na bazi ugljikovodika drže korak s onim starijim fluoriranim polimernim opcijama kada je u pitanju učinkovitost, ali donose i nešto dodatno. Ovi novi materijali pokazuju otprilike tri puta bolju kemijsku stabilnost, a istovremeno koštaju oko 30 posto manje od svojih prethodnika. Nedavna istraživanja o umreženim sulfoniranim polimerima učinila su membrane za izmjenu protona (PEM) znatno izdržljivijima. One mogu podnijeti temperature do 120 stupnjeva Celzijusovih bez sušenja ili razgradnje. Prema istraživanju objavljenom na ScienceDirectu još 2021. godine, ove poboljšane karakteristike smanjuju degradaciju materijala za otprilike 60 posto tijekom teških industrijskih operacija. To znači duži vijek trajanja komponenti i fleksibilnije radne parametre za upravitelje postrojenjima koji se svakodnevno suočavaju s zahtjevnim uvjetima.

Razvoj naprednih elektrolita za gorivne ćelije na bazi krutog oksida (SOFC)

Keramički nanokompoziti s projektiranim putovima za kisik-ione postižu ionsku vodljivost od 1,2 S/cm pri 650°C — za 45% više u odnosu na tradicionalni itrijem stabilizirani cirkonij (YSZ). Ovi materijali uključuju zaštitne interfacijalne slojeve koji smanjuju otrovanje kromom za 80%, čime se produžava vijek trajanja SOFC paketa preko 50.000 sati. Taj napredak omogućuje izdržljiviji i učinkovitiji rad na visokim temperaturama.

Nanofakturirani tankoslojni katalizatori koji zamjenjuju tradicionalne materijale

Katalizatori proizvedeni putem deponiranja atomskog sloja mogu iskoristiti metale platinske skupine stopama većim od 90%, što je znatno bolje od otprilike 30% kod tradicionalnih katalizatora na bazi praha. Kada je riječ o stvarnim materijalima, tanke folije od nikel željeznog nitrida također pokazuju dobre rezultate. One imaju sličnu učinkovitost kao i skupi platinski katalizatori u reakcijama redukcije kisika, dok im cijena proizvodnje iznosi svega oko 2%. Još impresivnije je to što zadržavaju stabilnost dugo nakon 1000 sati rada u kiselim okolinama. S obzirom na ova dostignuća, čini se da postoji stvarni zamah prema razvoju katalitičkih sustava koji nude izuzetnu učinkovitost uz značajno niže troškove u usporedbi s onim ranije dostupnim.

Materijalni izazovi u gorivnim ćelijama: kompromis između trajnosti i vodljivosti

Pronalaženje optimalne ravnoteže između dobre električne vodljivosti i trajne mehaničke čvrstoće i dalje je jedna od velikih prepreka na ovom području. Uzmimo primjer katoda dopiranih perovskitima — ovi materijali mogu doseći gustoću snage od oko 2,5 vata po kvadratnom centimetru pri radu na temperaturi od približno 750 stupnjeva Celzijusovih, ali postoji zamka — imaju tendenciju raspada za otprilike 20 posto brže u usporedbi s materijalima koji nisu toliko vodljivi. S druge strane, istraživanje objavljeno prošle godine ispitivalo je što se događa s elektrodama gradijentne poroznosti. Rezultati su pokazali da inženjeri korištenjem računalnih modela u dizajnu pora uspijevaju smanjiti oštećenja uzrokovana termičkim naprezanjem skoro za polovicu. Ovakav pristup izgleda obećavajuće za znatno produljenje vijeka trajanja ovih komponenti prije nego što dođe do kvara.

Proboji u ne-platinastim katalizatorima za gorive ćelije povoljne cijene

Zašto su ne-platinasti katalizatori ključni za smanjenje troškova u sustavima gorivih ćelija

Trošak platine čini otprilike 40% onoga što je potrebno za izgradnju steka gorivih ćelija, prema istraživanju Nacionalnog laboratorija Argonne iz 2023. godine, a ova visoka cijena zaista ograničava širu prihvaćenost tehnologije. Prelazak na učestalije metale poput željeza ili kobalta može smanjiti troškove katalizatora od 60 do 75 posto, bez velikih gubitaka u smislu stvarne proizvodnje energije. Nedavne studije objavljene u časopisima za materijale pokazuju i nešto zanimljivo: današnje alternative bez dragocjenih metala približile su se dosta platinu što se tiče učinkovitosti reakcije redukcije kisika. Govorimo o otprilike 85% u usporedbi s tek 63% 2018. godine. Takav napredak odgovara onome što američki Ministarstvo energetike želi postići ako namerava spustiti ukupne cijene sustava ispod 80 dolara po kilovatu do kraja sljedeće decenije.

Nedavni napredci u katalizatorima na bazi prijelaznih metala

Najnoviji katalizatori na bazi željeza, dušika i ugljika (Fe-N-C) izrađeni pirolitičkim metodama mogu se u laboratorijskim testovima stvarno natjecati s platinom kada je u pitanju performansa reakcije redukcije kisika (ORR). Istraživači su otkrili da kobalt dodan ugljičnim nano vlaknima stvara ove trodimenzionalne strukture koje povećavaju brzinu reakcije za oko 42% u odnosu na prethodne verzije, prema timu Deng iz 2023. godine. Ovo je prilično značajno jer je jedan glavni problem prijelaznih metala uvijek bio koliko brzo se razgrađuju tijekom ponovljenih ciklusa korištenja. Ono što ovim novim materijalima ističe je njihova sposobnost održavanja stabilnosti čak i pod promjenjivim uvjetima, što je vrlo važno za stvarne primjene u kojima oprema trpi stalni napon i fluktuacije temperature.

Usporedba performansi: Platinski naspram nanostrukturiranih tankih filmskih katalizatora

Iako nanostrukturiranje smanjuje jaz u performansama, izdržljivost ostaje glavna prepreka za velikoručnu primjenu.

Izazovi razmjeravanja neplemenitih metalnih katalizatora u komercijalnim gorivnim ćelijama

Proizvodnja naprednih katalizatora od neplemenitih metala zahtijeva točne uvjete pirolize (900–1100°C), što otežava masovnu proizvodnju. Izvješće DOE-a iz 2024. godine pokazalo je da prototipne gorivne ćelije s prijelaznim metalima gube 37% početne učinkovitosti nakon 5.000 sati, u usporedbi s samo 15% degradacije u sustavima zasnovanim na platini. Zatvaranje ovog jaza zahtijeva paralelne napretke u tehnika sinteze pogodnim za razmjeravanje i robusnim metodama integracije elektroda.

Razvoj konstrukcije u protonskim izmjenjivačkim membranskim i čvrsto-oksido-komponentnim gorivnim ćelijama

Trendovi u PEMFC-u niske temperature za transportne primjene

Membranske gorivne ćelije s razmjenom protona, ili PEMFC-ovi kako se često nazivaju, prilično dobro rade čak i kada temperature padnu ispod 80 stupnjeva Celzijevih. Zbog toga su proizvođači automobila posljednjih godina pokazali veliko zanimanje za njihovu upotrebu u vozilima. Trenutni fokus je na tome kako ove gorivne ćelije podnose hladne paljenje te što se događa nakon višestrukih ciklusa smrzavanja i odmrzavanja. Nekakva istraživanja iz prošle godine ukazala su na to da poboljšanja u dizajnu membrane elektrodnog sklopa mogu povećati učinkovitost za oko 40% u izrazito niskim temperaturama. U međuvremenu, mnogi prototipovi sada kombiniraju PEMFC tehnologiju s tradicionalnim litij-ionskim baterijama. Ova kombinacija omogućuje eksperimentalnim vodikovim automobilima dosegnuti udaljenosti od oko 450 milja između punjenja, što znatno doprinosi rješavanju jedne od najvećih zabrinutosti potencijalnih kupaca glede električnih vozila općenito.

Tanje, izdržljivije membrane koje omogućuju veću gustoću snage

Sulfonirani poli(eter eter keton), odnosno SPEEK membrane, trenutno uzimaju maha u industriji. Ovi materijali osiguravaju oko 30 posto bolju protonsku vodljivost i pri tome su dvostruko tanji u usporedbi s onima dostupnima još 2020. godine, prema istraživanju sa ScienceDirecta iz prošle godine. Ono što je zaista impresivno jest njihova stabilnost tijekom tisuća sati rada u automobilskim primjenama, izdržavajući više od 8.000 ciklusa opterećenja bez degradacije. Također, smanjuju probleme s prodiranjem vodika za oko 22 posto, što znači manje poteškoća tijekom rada. Najnovije inačice ojačane oksidom grafena izgledaju još obećavajuće, potencijalno dosežući gustoću snage od 4,2 vata po kvadratnom centimetru. To bi predstavljalo značajan napredak u odnosu na tradicionalne membrane, približno 65 posto poboljšanje ključnih pokazatelja performansi koje proizvođači traže kako bi postigli veću učinkovitost.

Optimizacija upravljanja vodom i slojeva difuzije plina u dizajnu PEMFC

Najnovije bipolarne ploče sada uključuju mikrofluidske kanale izrađene 3D ispisom koji smanjuju probleme s poplavljivanjem vodom otprilike za pola te pomažu ravnomjerno raspodijeliti kisik preko površine. Istraživači su otkrili da kod uporabe biomimetičkih fraktalnih tokovnih polja napon poraste oko 15 posto pri 2 ampera po kvadratnom centimetru, prema studiji objavljenoj prošle godine. Slojevi za difuziju plinova izrađeni od četkastih nano-cijevi od ugljika također imaju impresivna svojstva – imaju otprilike 90% slobodnog prostora za kretanje plinova i vode elektricitet brzinom od 0,5 Siemens po centimetru u ravnini. Ova svojstva stvaraju dobar balans između učinkovitog premještanja elektrona i omogućavanja odgovarajuće transportacije plinova unutar sustava.

Inovacije materijala u SOFC keramičkim elektrolitima i anodama

Današnji sklopovi gorivnih ćelija s krutim oksidom često kombiniraju elektrolite dopirane cerijem i gadolinijem s katodama LSCF koje smo ranije spomenuli, što im omogućuje stabilan rad na temperaturi od oko 650 stupnjeva Celzijusovih. To je zapravo vrlo impresivno, s obzirom da su stariji modeli iz 2019. godine za ispravan rad trebali temperature gotovo 200 stupnjeva više. Na strani anode, istraživači su razvili Ni-YSZ kompozite s mikroskopskim porama veličine 50 nanometara koji također pružaju prilično prihvatljiv izlaz snage. Prema ScienceDirectu iz prošle godine, postignuta je snaga od 1,2 vata po kvadratnom centimetru pri naponu od samo 0,7 volti kada se koristi metan kao gorivo. Prilično dobri rezultati, s obzirom da većina ljudi još uvijek smatra da ugljikovodici nisu pogodni za gorivne ćelije.

Snižavanje radnih temperatura SOFC-a putem nano-ionike

Nano-ionski vodljivi premazi na elektrodama SOFC smanjuju interfacijalni otpor za oko 60 posto. To omogućuje ovim sustavima učinkovito funkcioniranje na samo 550 stupnjeva Celzijevih, a da pritom ostvaruju impresivne stope iskorištavanja goriva od oko 95%. Istraživači su utvrdili da tanki filmovi cirkonija stabiliziranog skandijem (ScSZ), izrađeni tehnikom deponiranja atomskih slojeva, mogu postići ionsku vodljivost od 0,1 S/cm pri temperaturama niskim kao 500°C. To je usporedivo s onim što YSZ pruža na znatno višim temperaturama oko 800°C, prema nedavnim istraživanjima objavljenim od strane MDPI-a 2023. godine. Takvi napretci znače brže procese pokretanja i bolje upravljanje promjenama temperature tijekom vremena. Za industrije koje se oslanjaju na pomoćne energetske jedinice u zrakoplovima i teškim transportnim vozilima, ova poboljšanja predstavljaju značajan korak naprijed prema učinkovitijim energetskim rješenjima.

Integracija sustava gorivnih ćelija i primjene u stvarnom svijetu

Balansiranje termičke i električne jednolikosti u slaganju gorivnih ćelija

Kada razlike u temperaturi između slojeva stoga premašuju 15 stupnjeva Celzijevih, učinkovitost pada od 12 do 18 posto, prema istraživanju s ScienceDirecta prošle godine. Zbog toga je održavanje konstantne temperature kroz cijeli sustav toliko važno. Savremena rješenja za hlađenje počela su kombinirati mikrokanalske ploče uz pametan softver za predviđanje toplinskog opterećenja, što rezultira stabilnim naponom od oko 92% čak i kod stogova koji sadrže više od 100 pojedinačnih ćelija. Ova poboljšanja otvaraju mogućnosti za proširenje tehnologije gorivih ćelija izvan manjih primjena. Vidimo stvarni potencijal u područjima poput velikih brodova koji zahtijevaju kontinuiranu energiju i teške industrijske opreme koja zahtijeva pouzdane izvore energije bez prekida.

Hibridni SOFC-turbinski sustavi za učinkovitu stacionarnu proizvodnju električne energije

Kada se čvrste oksidne gorivne ćelije kombiniraju s plinskim turbinama, one zapravo povećavaju električnu učinkovitost na oko 68 do 72 posto. To je otprilike 30% bolje u odnosu na učinkovitost običnih turbina koje rade samostalno. Ključ ovog pristupa je iskorištavanje svih preostalih toplinskih gubitaka iz ispušnog sustava turbine i njihovo vraćanje u SOFC katodu, što hibridnim konfiguracijama omogućuje da iskoriste svaki dio dostupne energije. Stvarni testovi također su pokazali nešto vrlo impresivno: sustavi kombinirane proizvodnje topline i energije znatno smanjuju emisiju ugljičnog dioksida. Za svaki proizvedeni megavat, ove CHP konfiguracije smanjuju godišnje emisije za otprilike 8,2 metričke tone u usporedbi s tradicionalnim generatorima. S obzirom na sve veći naglasak na smanjenju emisije stakleničkih plinova u modernim elektroenergetskim mrežama, ovakve hibridne tehnologije sve više izgledaju kao pravi prekretnica u nastojanju da učinimo naše električne mreže čistijima i učinkovitijima.

Primjena gorivnih ćelija u prometu i smanjenju industrijskih emisija

Stanice za goriva više nisu prisutne samo u automobilima. Prema ScienceDirectu iz prošle godine, otprilike 45 posto novoproizvedenih viljuškara i otprilike petina regionalnih vlakova prešlo je na rad sa vodikom umjesto na tradicionalna goriva. Pravi preokret događa se međutim u onim teškim sektorima gdje je smanjenje emisije ugljika posebno izazovno. Cimentare i čeličane širom svijeta počinju testirati velike instalacije gorivih ćelija kao zamjenu za svoje stare sisteme koji rade na uglju. Neki rani rezultati pokazuju da ovi novi sustavi mogu smanjiti emisije tijekom proizvodnje skoro za devet od deset jedinica. Ono što ovo čini posebno zanimljivim je to što ovi sistemi gorivih ćelija pouzdano rade čak i u teškim uvjetima, što je upravo ono što proizvođači trebaju kada pokušavaju smanjiti svoj ekološki utjecaj bez gubitka produktivnosti.

Budući izgled: Povezivanje inovacija i tržišnog prihvaćanja

Globalni trendovi u istraživanju i razvoju materijala za gorive ćelije i otkrića potpomognuta umjetnom inteligencijom

Svijet svake godine potroši više od 7,2 milijarde dolara na istraživanje tehnologije gorivih ćelija, prema izvješću Clean Energy Trends 2024. Ono što je zaista zanimljivo jest kako strojno učenje brzo mijenja stvari. Neki studiji pokazuju da ubrzava otkrivanje materijala tri do četiri puta u odnosu na ranije. To znači da znanstvenici mogu mnogo brže pronaći stabilne katalizatore i izdržljive elektrolite. Računalni modeli također su donijeli veliku razliku, smanjujući vrijeme potrebno za razvoj s nekoliko godina na samo mjesec dana. Uzmimo kao primjer gorive ćelije na bazi krutog oksida. S pomoću umjetne inteligencije, ovi sustavi sada postižu učinkovitost od oko 92% pri radu na 650 stupnjeva Celzijevih, što je zapravo 150 stupnjeva hladnije nego što je bilo uobičajeno ranije. Takva poboljšanja imaju veliki značaj za praktičnu primjenu.

Ključne prepreke: troškovi, izdržljivost i nedostaci u infrastrukturi za vodik

Inovacije se događaju brzo, ali plasman ovih tehnologija na tržište i dalje je težak. Problem s katalizatorima bez platine? Oni imaju sklonost da se troše otprilike 40 posto brže od onih izrađenih od dragocjenih metala kada se koriste u stvarnim gorivnim ćelijama s protonskom izmjenom membrane. Zatim postoji i pitanje učinkovite proizvodnje i skladištenja vodika, što trenutačno dodatno povećava ukupne troškove za između 18 i 22 posto. Infrastruktura je još više zaostala. Od svih planiranih stanica za punjenje vodikom, samo oko sedam posto zapravo zadovoljava zahtjev za kompresijom na 700 bara, koji je neophodan za kamione i druga teretna vozila. A niti ne spominjemo propise. Trenutačno, samo četrnaest zemalja širom svijeta uspjelo je uspostaviti dosljedne standarde za certificiranje gorivnih ćelija, ostavljajući većinu tržišta fragmentiranim i zbunjujućim za proizvođače koji pokušavaju pronaći put kroz različite zahtjeve od zemlje do zemlje.

Od laboratorija do tržišta: proširivanje inovacija gorivnih ćelija za komercijalnu upotrebu

Pretvaranje pilot projekata u potpunu seriju proizvodnje zapravo se svodi na pronalaženje načina za proizvodnju u velikim količinama. Depozicija atomskih slojeva, poznata i kao ALD, danas privlači ozbiljnu pažnju zbog izrade sitnih nanostrukturiranih katalizatora potrebnih za različite primjene. Tehnika obrade membrana u valjcima, prvotno razvijena za solarne panele, zapravo je smanjila troškove za oko 33 posto kada se primjenjuje na proizvodnju gorivih ćelija. Nacionalne laboratorije koje rade u suradnji s proizvođačima automobila definitivno su ubrzale proces. Zajednički napori rezultirali su time da nove konstrukcije gorivih ćelija s protonskom izmjenom membrane traju približno 25.000 sati prije zamjene. To predstavlja značajan napredak u odnosu na verzije iz 2020. godine koje su trajale samo oko 14.900 sati. S obzirom na ovakav brzi napredak, izgleda da je komercijalizacija ovih naprednih tehnologija više nego moguća – sve više postaje realna.

Česta pitanja

Koje su prednosti korištenja nanotehnologije u gorivnim ćelijama?

Nanotehnologija poboljšava materijale za gorivne ćelije poboljšavanjem ionske vodljivosti, smanjenjem otpora na međufazama i omogućavanjem stvaranja tanjih slojeva katalizatora, što rezultira učinkovitijom distribucijom topline i ukupnim poboljšanim performansama.

Kako ne-platinski katalizatori smanjuju troškove gorivnih ćelija?

Ne-platinski katalizatori, poput onih temeljenih na željezu ili kobaltu, znatno smanjuju troškove gorivnih ćelija smanjenjem troškova katalizatora do 75%, istovremeno održavajući usporedivu učinkovitost u reakcijama redukcije kisika.

Koji su glavni izazovi u proširivanju tehnologije gorivnih ćelija?

Ključni izazovi uključuju cijenu i izdržljivost materijala, nedostatak učinkovite infrastrukture za vodik te potrebu za dosljednim globalnim standardima i skalabilnim proizvodnim procesima za komercijalne primjene gorivnih ćelija.

Kako hibridni SOFC-turbinski sustavi poboljšavaju učinkovitost?

Hibridni SOFC-turbinski sustavi povećavaju učinkovitost korištenjem preostale topline iz ispuha turbine za poboljšanje električnih performansi, postižući učinkovitost do 72%, što je znatno više od učinkovitosti samih tradicionalnih turbina.

Koju ulogu igra umjetna inteligencija u istraživanju gorivih ćelija?

Umjetna inteligencija ubrzava otkrivanje i razvoj materijala, smanjujući vrijeme potrebno za identifikaciju stabilnih katalizatora i elektrolita, što na kraju poboljšava učinkovitost i performanse u praktičnim primjenama gorivih ćelija.