Fejlődés a tüzelőcella-anyagtudomány terén

A nanotechnológia szerepe a tüzelőcella-anyagok javításában

A tüzelőanyagcellák anyagai jelentős fejlődésen mennek keresztül a nanoméretű mérnöki technikák köszönhetően. Amikor a kutatók az atomi szintű szerkezetekkel dolgoznak, sikerült körülbelül 15%-kal növelniük a membránok ionvezető-képességét, miközben a katalizátorrétegeket mintegy 40%-kal vékonyabbá tették, mint ami korábban lehetséges volt. A Fraunhofer IPT 2024-es kutatása érdekes eredményt is felmutatott: a bipoláris lemezekhez adott grafén-oxid körülbelül 27%-kal csökkenti az interfészellenállást. Ez fontos, mert segíti a hő eloszlását az egész rendszeren belül, ami alapvetően fontos a tüzelőanyagcellák hatékony hosszú távú működéséhez.

Protoncserélő membránok (PEM) innovációi

A legújabb szénhidrogén alapú membránok teljesítményükben felzárkóztak a régi fluorozott polimer megoldásokhoz, de további előnyöket is kínálnak. Ezek az új anyagok körülbelül háromszor jobb kémiai stabilitást mutatnak, miközben költségük nagyjából 30 százalékkal alacsonyabb elődeikénél. A keresztkötött szulfonált polimerekkel végzett legutóbbi kutatások lényegesen robosztusabbá tették a protoncserélő membránokat (PEM). Ezek akár 120 °C-os hőmérsékletet is elviselnek anélkül, hogy kiszáradnának vagy lebomlanának. A ScienceDirecten 2021-ben közzétett kutatás szerint ezek a fejlesztések durva ipari működtetés során körülbelül 60 százalékkal csökkentették az anyagdegradációt. Ez hosszabb élettartamot és rugalmasabb üzemeltetési paramétereket jelent az üzemi vezetők számára, akik nap mint nap nehéz körülményekkel néznek szembe.

Fejlett elektrolitok fejlesztése szilárd oxid tüzelőcellák (SOFC) számára

A tervezett oxigénion-utakat tartalmazó kerámia nanokompozitok 1,2 S/cm-es ionvezetőképességet érnek el 650 °C-on – 45%-kal magasabb, mint a hagyományos ittriummal stabilizált cirkónia (YSZ). Ezek az anyagok védő határrétegeket tartalmaznak, amelyek 80%-kal csökkentik a króm-mérgezést, így az SOFC-stack élettartama meghaladja az 50 000 órát. Ez a fejlődés lehetővé teszi a tartósabb és hatékonyabb magas hőmérsékletű üzemeltetést.

Hagyományos anyagokat helyettesítő nanostrukturált vékonyfilmes katalizátorok

Az atomi rétegszintézissel előállított katalizátorok a platina csoportba tartozó fémeket több mint 90%-os arányban használják fel, ami lényegesen jobb, mint a hagyományos poralapú katalizátoroknál tapasztalt kb. 30%. A tényleges anyagokat tekintve ígéretesnek bizonyulnak a nikkel-vas-nitrid vékonyrétegek is. Ezek teljesítménye hasonló az értékes platinaéhoz az oxigénredukciós reakciók során, ugyanakkor előállítási költségük csupán körülbelül 2% a platináéhoz képest. Még lenyűgözőbb, hogy savas környezetben 1000 óránál is tovább tartó stabilitást mutatnak. Ezek az eredmények azt jelzik, hogy valódi lendület kezdődik el olyan katalitikus rendszerek fejlesztése terén, amelyek kiváló teljesítményt nyújtanak, miközben jelentősen csökkentik a korábban elérhető megoldásokhoz képest a költségeket.

Anyagproblémák üzemanyagcellákban: a tartósság és vezetőképesség közötti kompromisszum

A jó elektromos vezetőképesség és a tartós mechanikai szilárdság közötti ideális egyensúly megtalálása továbbra is az egyik nagy kihívás ezen a területen. Vegyük például a dopolt perovszkit katódokat: ezek akár 2,5 watt/centiméter négyzetre is elérhetik a teljesítménysűrűséget kb. 750 °C-os üzemelési hőmérsékleten, de van egy buktatójuk – mintegy 20 százalékkal gyorsabban lebomlanak, mint a kevésbé vezetőképes anyagok. A pozitívum viszont az, hogy tavaly megjelent kutatás foglalkozott a gradiens pórustartalmú elektródák viselkedésével. Az eredmények szerint, amikor a mérnökök számítógépes modellek segítségével tervezik meg a pórusokat, sikerült majdnem felére csökkenteniük a hőfeszültség okozta károsodást. Ez a megközelítés jelentősen hozzájárulhat az alkatrészek élettartamának növeléséhez.

Áttörések nem platinát használó katalizátorokban költséghatékony üzemanyagcellákért

Miért fontosak a nem platinát tartalmazó katalizátorok az üzemanyagcella-rendszerek költségeinek csökkentésében

A platina költsége körülbelül 40%-át teszi ki annak, amennyibe egy üzemanyagcella-stack előállítása kerül, ezt igazolja az Argonne Nemzeti Laboratórium 2023-as kutatása, és ez az alacsony ár valóban visszafogja a technológia szélesebb körű elterjedését. Áttérni gyakoribb fémekre, mint a vas vagy a kobalt, akár 60–75 százalékkal csökkentheti ezeknek a katalizátoroknak az árát anélkül, hogy jelentősen le kellene mondani a tényleges teljesítménytermelésről. A materiáltudományi szaklapokban közölt legújabb tanulmányok érdekes eredményt is mutatnak: a mai nemesfémmentes alternatívák már közel járnak a platinához az oxigénvisszanyerési reakció hatékonyságában. Arról van szó, hogy ma körülbelül 85%-os hatékonyságról beszélünk, míg 2018-ban még csak 63% volt. Ez a fejlődés összhangban áll azzal, amit az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma el szeretne érni, ha reméli, hogy a rendszerek teljes költségét a jövő évtized végére kilowattanként 80 dollár alá tudja vinni.

Legújabb eredmények átmenetifém-alapú katalizátorok terén

A pirolyzis módszerrel készített legújabb vas-nitrogén-szén (Fe-N-C) katalizátorok valóban versenyképesek lehetnek a platinával az oxigénredukciós reakció (ORR) teljesítménye tekintetében laboratóriumi tesztek alapján. A kutatók 2023-ban Deng csapata szerint felfedezték, hogy a kobalt hozzáadása a szén nanoszálakhoz olyan 3D szerkezeteket hoz létre, amelyek körülbelül 42%-kal növelik a reakciósebességet az előző változatokhoz képest. Ez elég jelentős, mivel a főbb átmenetifém-katalizátorok egyik fő problémája mindig is az volt, hogy milyen gyorsan bomlanak le a többszöri használat során. Az új anyagok különlegessége éppen abban áll, hogy képesek megtartani stabilitásukat akkor is, ha változó körülményeknek vannak kitéve – ami különösen fontos a gyakorlati alkalmazásoknál, ahol a berendezések állandó terhelésnek és hőmérséklet-ingadozásnak vannak kitéve.

Teljesítményösszehasonlítás: Platina vs. nanostrukturált vékonyfilmes katalizátorok

Miközben a nanostrukturálás csökkenti a teljesítménybeli különbséget, a tartósság továbbra is a fő akadálya a nagy léptékű bevezetésnek.

A nem nemesfém katalizátorok méretezhetőségi kihívásai a kereskedelmi üzemanyagcellákban

Az előrehaladott nem nemesfém katalizátorok gyártása pontos pirolitikus körülményeket igényel (900–1100 °C), ami bonyolítja a tömeggyártást. A 2024-es DOE jelentés szerint a prototípus átmenetifém-alapú üzemanyagcellák 5000 óra után az eredeti hatásfokuk 37%-át veszítik el, szemben a platinaalapú rendszerek 15%-os degradációjával. Ennek az űrnek az áthidalásához párhuzamos fejlődésre van szükség a méretezhető szintézistechnikákban és a megbízható elektródaintegrációs módszerekben.

A protoncserélő membrános és szilárd-oxid üzemanyagcellák tervezésének fejlődése

Alacsony hőmérsékletű PEMFC-k irányzatai közlekedési alkalmazásokhoz

A protoncserélő membrános üzemanyagcellák, amelyeket általában PEMFC-ként emlegetnek, viszonylag jól működnek akkor is, ha a hőmérséklet 80 °C alá csökken. Ez az oka annak, hogy az autógyártók utóbbi időben nagy érdeklődést mutatnak irántuk járművekben való alkalmazásuk kapcsán. A mai napig az a fókusz, hogyan viselkednek ezek az üzemanyagcellák hidegindítás során, illetve mi történik velük ismételt fagyás-olvadási ciklusok után. Egy tavalyi kutatás szerint a membrán-elektród egység tervezésének fejlesztésével körülbelül 40%-kal növelhető az üzemanyagcellák hatásfoka igen alacsony hőmérsékleten. Eközben számos prototípus már most kombinálja a PEMFC technológiát hagyományos lítium-ion akkumulátorcsomagokkal. Ez a kombináció lehetővé teszi, hogy a kísérleti hidrogénautók tankolások között körülbelül 725 kilométert (450 mérföldet) tegyenek meg, ami jelentős lépés az egyik legnagyobb fogyasztói aggály enyhítése felé, amelyet az elektromos járművekkel kapcsolatban általában támasztanak.

Vékonyabb, tartósabb membránok magasabb teljesítménysűrűség eléréséhez

A szulfonált poli(éter éter keton), más néven SPEEK membránok jelenleg hullámokat keltnek az iparban. Ezek az anyagok körülbelül 30 százalékkal jobb protonvezető-képességet nyújtanak, miközben vastagságuk csupán fele annyi, mint ami 2020-ban elérhető volt, ezt igazolja a tavalyi ScienceDirect kutatás. Ami igazán lenyűgöző, az anyagok megbízható stabilitása ezrek órányi használat során járműipari alkalmazásokban, túlélve több mint 8000 terhelési ciklust meghibásodás nélkül. Emellett körülbelül 22 százalékkal csökkentik a hidrogén átszivárgás problémáját, ami kevesebb üzemzavarhoz vezet működés közben. A legújabb, grafén-oxiddal megerősített változatok még ígéretesebbek, potenciálisan elérhetik a 4,2 watt négyzetcentiméterenkénti teljesítménysűrűséget. Ez jelentős előrelépést jelentene a hagyományos membránokhoz képest, körülbelül 65 százalékos teljesítményjavulást eredményezve azokban a mutatókban, amelyek a gyártók számára a hatékonyságnövelés szempontjából a legfontosabbak.

Vízgazdálkodás és gázdiffúziós rétegek optimalizálása PEMFC tervezésben

A legújabb bipoláris lemezek mostantól 3D-s nyomtatású mikrofolyadékkeringtető csatornákat tartalmaznak, amelyek körülbelül felére csökkentik a vízfelhalmozódás problémáját, és segítenek egyenletesen elosztani az oxigént a felületen. A kutatók azt találták, hogy biomimetikus fraktál alakú áramlási terek alkalmazásakor a feszültségkimenetel körülbelül 15 százalékkal növekedett 2 amper négyzetcentiméterenként, ahogyan egy tavaly megjelent tanulmány is közölte. A szén nanocsőből készült gátdiffúziós rétegek is lenyűgöző tulajdonságokkal rendelkeznek – körülbelül 90 százaléknyi nyitott tér áll rendelkezésre a gázmozgáshoz, és síkirányban 0,5 Siemens per centiméter elektromos vezetőképességgel rendelkeznek. Ezek a jellemzők jó egyensúlyt teremtenek az elektronok hatékony mozgatása és a megfelelő gázcserélés között a rendszeren belül.

Anyaginnovációk az SOFC kerámiaelektrolitokban és anódokban

A mai szilárd oxid üzemanyagcella-rendszerek gyakran kombinálják a gadolíniummal szennyezett ceria elektrolitokat az előbb említett LSCF katódokkal, lehetővé téve, hogy körülbelül 650 °C-on stabilan működjenek. Ez valójában elég lenyűgöző, tekintve, hogy a 2019-es modellek majdnem 200 fokkal magasabb hőmérsékletre voltak szükségek megfelelő működéshez. Az anód oldalát tekintve a kutatók olyan Ni-YSZ kompozitokat fejlesztettek ki, amelyek 50 nanométeres pórusokkal rendelkeznek, és ezek is elég jó teljesítményt nyújtanak. A múlt évben a ScienceDirect szerint metán üzemanyaggal 1,2 watt négyzetcentiméterenkénti teljesítményt értek el mindössze 0,7 volton. Elég jó eredmény figyelembe véve, hogy a legtöbb ember még mindig úgy gondolja, hogy a szénhidrogének nem alkalmasak üzemanyagcellákhoz.

Szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC) működési hőmérsékletének csökkentése nanoionikával

A nanoionos vezetőképes bevonatok alkalmazása az SOFC-elektródokon körülbelül 60 százalékkal csökkenti az interfaciális ellenállást. Ez lehetővé teszi ezeknek a rendszereknek, hogy hatékonyan működjenek mindössze 550 °C-on is, miközben még mindig elérhetik az igen magas, körülbelül 95%-os üzemanyag-kihasználást. A kutatók kiderítették, hogy az atomi rétegszintézissel (ALD) létrehozott scandiummal stabilizált cirkónia (ScSZ) vékonyfilmből készült minták akár 0,1 S/cm ionvezetőképességet is elérhetnek 500 °C-os hőmérsékleten. Ez összehasonlítható azzal, amit az YSZ kb. 800 °C-on nyújt, ahogyan azt a MDPI 2023-as tanulmányai is jelzik. Az ilyen fejlesztések gyorsabb indítási folyamatokat és jobb hőmérsékletváltozás-kezelést eredményeznek hosszú távon. A repülőgépek és nehéz forgalmi járművek segédenergia-egységeire támaszkodó iparágak számára ezek a javulások jelentős lépést jelentenek a hatékonyabb energiamegoldások felé.

Üzemanyagcella-rendszerek integrációja és valós alkalmazások

Hőmérsékleti és elektromos egyenletesség kiegyensúlyozása üzemanyagcella-sorokban

Amikor a hőmérséklet-különbségek a cellarétegek között meghaladják a 15 Celsius-fokot, az hatásfok akár 12–18 százalékkal csökken az elmúlt év ScienceDirect kutatása szerint. Ezért marad kiemelten fontos a hőmérséklet állandóságának fenntartása. A modern hűtési megoldások egyre inkább mikrocsatornás lemezeket kombinálnak intelligens termikus előrejelző szoftverrel, amely eredményeként akár 92%-os feszültségstabilitás érhető el akkor is, ha 100-nál több egyedi cellát tartalmazó blokkokkal dolgoznak. Ezek a fejlesztések lehetővé teszik a tüzelőcellás technológia kiterjesztését a kisebb alkalmazásokon túl. Valós lehetőséget látunk például nagy hajók folyamatos energiaellátása vagy nehéz ipari gyártóberendezések megszakításmentes, megbízható energiaforrás igénye terén.

Hibrid SOFC-gázturbinás rendszerek hatékony, álló helyzetben működő energiatermeléshez

Amikor szilárd oxidú üzemanyagcellákat gázturbinákhoz kapcsolnak, az elektromos hatásfokot körülbelül 68–72 százalékra növelik. Ez körülbelül 30 százalékkal jobb, mint amit a kizárólag önállóan működő hagyományos turbinák esetében tapasztalunk. A trükk itt abban rejlik, hogy a turbinák kipufogógázaiból származó felesleges hőt visszavezetik az SOFC katódjába, ami segíti ezeket a hibrid rendszereket az elhasználható energia minden egyes cseppjének kiaknázásában. A gyakorlati tesztek is lenyűgöző eredményeket mutattak: a hő- és áramtermelő rendszerek jelentősen csökkentették a szénkibocsátást. Megawanként évente körülbelül 8,2 tonnával csökkentik a kibocsátást a hagyományos generátorokhoz képest. Tekintve, hogy a üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentése milyen fontossá vált a modern villamosenergia-hálózatok esetében, ezek a hibrid technológiák egyre inkább forradalmi megoldásokként tűnnek fel annak érdekében, hogy villamosenergia-hálózataink tisztábbak és hatékonyabbak legyenek.

Üzemanyagcellák alkalmazása közlekedési és ipari kibocsátáscsökkentési célokra

A tüzelőcellák már nemcsak autókban jelennek meg. A ScienceDirect tavalyi adatai szerint az újonnan gyártott villástargoncák körülbelül 45 százaléka és a regionális vonatok nagyjából ötöd része átváltott hagyományos üzemanyagok helyett hidrogénre. Az igazi áttörés azonban azokban a nehéz iparágakban zajlik, ahol a szén-dioxid-kibocsátás csökkentése különösen kihívást jelent. Cementgyárak és acélgyárak világszerte elkezdték tesztelni a nagy méretű tüzelőcellás rendszereket régi széntüzeléses berendezéseik helyettesítésére. Néhány korai eredmény szerint ezek az új rendszerek akár kilenc tizedével is képesek csökkenteni a termelés során keletkező kibocsátást. Különösen érdekes, hogy ezek a tüzelőcellás rendszerek megbízhatóan működnek akkor is, amikor a körülmények nehezek, ami éppen azt nyújtja a gyártóknak, amire szükségük van: környezeti lábnyomuk csökkentése anélkül, hogy termelékenységüket áldoznák fel.

Jövőkép: Az innováció és a piaci elterjedés összekapcsolása

A tüzelőcella-anyagok globális kutatási-fejlesztési trendjei és az MI-vezérelt felfedezés

A világ évente több mint 7,2 milliárd dollárt költ üzemanyagcella-technológiai kutatásokra a Clean Energy Trends 2024 jelentés szerint. Ám ami igazán érdekes, az a gépi tanulás gyors hatása. Egyes tanulmányok szerint ez három- és négyszeresére gyorsítja az anyagfelfedezést az eddigieknél. Ez azt jelenti, hogy a tudósok sokkal gyorsabban találhatják meg a stabil katalizátorokat és erős elektrolitokat, mint korábban. A számítógépes modellek is nagy különbséget jelentenek, csökkentve az időtartamot, amely korábban évekbe telt, most már csak hónapokra. Vegyük példaként a szilárd oxid üzemanyagcellákat. Mesterséges intelligencia segítségével ezek a rendszerek jelenleg körülbelül 92%-os hatásfokot érnek el 650 °C-on, ami valójában 150 °C-kal alacsonyabb, mint ami korábban normális volt. Ilyen mértékű fejlődés nagy jelentőséggel bír a gyakorlati alkalmazások szempontjából.

Fő akadályok: költségek, tartósság és a hidrogén infrastruktúra hiányosságai

A technológiai újítások gyorsan követik egymást, de ezek piaci bevezetése továbbra is nehézségekbe ütközik. Mi a gond a platina nélküli katalizátorokkal? Ezek általában körülbelül 40 százalékkal hamarabb elkopnak, mint a nemesfémekből készült változatok, amikor valódi protoncserélő membrános üzemanyagcellákban használják őket. Azután ott van a hidrogén hatékony előállításának és tárolásának kérdése is, ami jelenleg körülbelül 18 és 22 százalékkal növeli az összes költséget. Az infrastruktúra még ennél is nagyobb lemaradásban van. A tervezett hidrogén töltőállomások közül mindössze körülbelül hét százalék felel meg a 700 bar-os sűrítési követelménynek, amelyre a teherautók és más nehézgépjárművek esetében szükség van. Ne feledkezzünk meg a szabályozásokról sem. Jelenleg csupán tizennégy ország dolgozott ki világszerte egységes szabványokat az üzemanyagcellák tanúsítására, így a legtöbb piac széttöredezett és zavaros marad a gyártók számára, akik országonként eltérő előírások között próbálnak eligazodni.

A laboratóriumból a piacra: Üzemanyagcella-innovációk méretezése kereskedelmi felhasználás céljából

Az áttörés a kísérleti projektek és a teljes körű gyártás közötti űr áthidalásában rejlik, konkrétan a nagy léptékű gyártási lehetőségek megtalálásában. Az atomi rétegű ülepítés, amit gyakran csak ALD-nek neveznek a szakmában, napjainkban komoly figyelmet kap azoknak a mikroszkopikus nanostrukturált katalizátoroknak az előállításában, amelyek különböző alkalmazásokhoz szükségesek. A hengerelt membránfeldolgozási eljárás, amely eredetileg napelemekhez készült, a tüzelőcellák gyártásában alkalmazva körülbelül 33 százalékkal csökkentette a költségeket. A nemzeti kutatóintézetek és az autógyártók együttműködése jelentősen felgyorsította a fejlesztéseket. Együttes erőfeszítéseiknek köszönhetően új protoncserélő membrános tüzelőcella-tervek körülbelül 25 000 órás élettartamot érnek el a cseréig. Ez jelentős javulás az 2020-as modellekhez képest, amelyek körülbelül 14 900 órát bírtak ki. Ezzel a lendülettel haladva egyre valóságosabbnak tűnik, hogy ezek az előrehaladott technológiák nemcsak lehetségesek, hanem egyre inkább piacra vihetők.

GYIK

Milyen előnyökkel jár a nanotechnológia alkalmazása üzemanyagcellákban?

A nanotechnológia javítja az üzemanyagcella anyagokat, növeli az ionvezetőképességet, csökkenti az interfészellenállást, és lehetővé teszi vékonyabb katalizátorrétegek kialakítását, amelyek hatékonyabb hőeloszláshoz és jobb teljesítményhez vezetnek.

Hogyan csökkentik az üzemanyagcellák költségeit a platina-mentes katalizátorok?

A vasra vagy kobaltra alapuló platina-mentes katalizátorok jelentősen csökkentik az üzemanyagcellák költségeit, akár 75%-kal csökkentve a katalizátorok árát, miközben összehasonlítható teljesítményt nyújtanak az oxigénredukciós reakciók során.

Mik a fő kihívások az üzemanyagcella-technológia méretezése során?

A kulcsfontosságú kihívások közé tartozik az anyagok költsége és tartóssága, a hatékony hidrogén infrastruktúra hiánya, valamint az egységes globális szabványok és méretezhető gyártási folyamatok szükségessége a kereskedelmi üzemanyagcella-alkalmazásokhoz.

Hogyan javítják az SOFC-gázturbina hibrid rendszerek az hatékonyságot?

A hibrid SOFC-gázturbinás rendszerek a turbinák kipufogógázából visszamaradó hő felhasználásával növelik a hatékonyságot, így akár 72%-os hatásfokot is elérhetnek, ami jelentősen magasabb, mint a hagyományos gázturbináké.

Milyen szerepet játszik a mesterséges intelligencia (AI) a tüzelőcella-kutatásban?

Az AI felgyorsítja az anyagok felfedezését és fejlesztését, csökkentve az időt, amely szükséges a stabil katalizátorok és elektrolitok azonosításához, végül is javítva a hatékonyságot és a teljesítményt a gyakorlati tüzelőcellás alkalmazásokban.