Napredki v znanosti o materialih za gorivne celice

Vloga nanotehnologije pri izboljšanju materialov za gorivne celice

Materiali za gorilne celice se močno izboljšujejo zaradi tehnologij inženiringa na nanorazsežnostih. Ko znanstveniki delajo s strukturami na atomski ravni, so uspeli povečati ionsko prevodnost v membranah za okoli 15 %, hkrati pa so katalizatorne plasti naredili približno 40 % tanjše kot prej. Nedavna raziskava Fraunhofer IPT iz leta 2024 je pokazala tudi nekaj zanimivega: dodajanje grafenovega oksida dvojnopolnim ploščam zmanjša prehodni upor za približno 27 %. To je pomembno, ker pomaga pri porazdelitvi toplote po sistemu, kar je ključno za učinkovito dolgoročno delovanje gorilnih celic.

Inovacije v protonsko izmenjevalnih membranah (PEM)

Najnovejše membrane na osnovi ogljikovodikov držijo korak starejšim fluoriranim polimernim rešitvam, kadar gre za zmogljivost, a prinašajo še dodatno prednost. Ti novi materiali kažejo približno trikrat boljšo kemično stabilnost in so hkrati približno 30 odstotkov cenejši od prejšnjih verzij. Nedavna raziskava o navzkrižno povezanih sulfoniranih polimerih je omogočila bistveno večjo obstojnost membran za izmenjavo protonov (PEM). Te lahko zdržijo temperature do 120 stopinj Celzija, ne da bi se posušile ali razgradile. Po podatkih raziskave, objavljene na ScienceDirect leta 2021, te izboljšave zmanjšujejo degradacijo materiala približno za 60 odstotkov med zahtevnimi industrijskimi procesi. To pomeni daljšo življenjsko dobo komponent ter fleksibilnejše obratovalne parametre za vodje obratov, ki se vsak dan spopadajo s težkimi pogoji.

Razvoj naprednih elektrolitov za gorilne celice na trdnih oksidih (SOFC)

Keramični nanokompoziti z inženirskimi potmi za kisikove ione dosegajo ionsko prevodnost 1,2 S/cm pri 650 °C – za 45 % višjo kot običajni itrijev stabilizirani cirkonij (YSZ). Ti materiali vključujejo zaščitne mejne plasti, ki zmanjšajo strupenost zaradi kroma za 80 %, kar podaljša življenjsko dobo SOFC sklopov na več kot 50.000 ur. Ta napredek omogoča bolj trdno in učinkovito delovanje pri visokih temperaturah.

Nanoprestrukturirani tankoslojni katalizatorji namesto tradicionalnih materialov

Katalizatorji, izdelani s pomočjo odlaganja atomskih slojev, lahko uporabljajo kovine platinaste skupine s stopnjo uporabe nad 90 %, kar je veliko bolje kot približno 30 % pri tradicionalnih katalizatorjih na osnovi prahu. Kar se tiče dejanskih materialov, kažejo obet tudi tanki filtri iz nikel-železovega nitrida. Pri reakcijah redukcije kisika delujejo podobno kot draga platina, vendar jih stane proizvodnja le okoli 2 % od cene za platino. Še bolj impresivna pa je njihova stabilnost, ki traja prek 1000 ur v kislih okoljih. Ob pogledu na ta napredek se zdi, da se resnično nabira zamah proti razvoju katalitičnih sistemov, ki ponujajo izjemne zmogljivosti in hkrati znatno zmanjšujejo stroške v primerjavi s tem, kar je bilo mogoče do sedaj.

Materialne izzive pri gorivnih celicah: kompromisi med vzdržljivostjo in prevodnostjo

Najdba optimalne točke med dobro električno prevodnostjo in dolgotrajno mehansko trdnostjo ostaja ena od glavnih ovir na tem področju. Vzemimo na primer dopirane perovskitske katode – te lahko dosegajo gostoto moči okoli 2,5 vatov na kvadratni centimeter pri obratovanju pri približno 750 stopinjah Celzija, vendar obstaja ena past: razpadejo približno 20 odstotkov hitreje v primerjavi s materiali, ki niso tako prevodni. Svetlejša stran pa je, da je lanskoletna raziskava preučevala pojav elektrod s gradientno poroznostjo. Ugotovitve so nakazovale, da inženirji z modeliranjem por z računalniškimi programi uspejo skoraj za polovico zmanjšati poškodbe zaradi toplotnega napetosti. Tak pristop se zdi obeten za znatno podaljšanje življenjske dobe teh komponent pred odpovedjo.

Preboji pri neplatinastih katalizatorjih za cenovno ugodne gorilne celice

Zakaj so neplatinasti katalizatorji ključni za zmanjševanje stroškov v sistemih gorilnih celic

Stroški platine predstavljajo približno 40 % tega, kar je potrebno za izdelavo gorivne celice, kar kaže raziskava Nacionalnega laboratorija Argonne iz leta 2023, in ta visoka cena resnično ovira širšo sprejetljivost te tehnologije. Prehod na pogostejše kovine, kot sta železo ali kobalt, bi lahko zmanjšal stroške katalizatorjev za 60 do 75 odstotkov, ne da bi pri tem veliko izgubili pri dejanski proizvodnji energije. Nedavne raziskave, objavljene v revijah za materialoznanstvo, kažejo tudi nekaj zanimivega: današnje alternative iz neprecenih kovin so glede učinkovitosti reakcije redukcije kisika postale precej blizu platinu. Govorimo približno o 85 %, primerjano s samo 63 % leta 2018. Takšen napredek ustreza ciljem ameriškega ministrstva za energijo, ki si želi znižati skupne stroške sistema pod 80 dolarjev na kilovat do konca naslednjega desetletja.

Nedavni napredki pri katalizatorjih na osnovi prehodnih kovin

Najnovejši katalizatorji na osnovi železa, dušika in ogljika (Fe-N-C), izdelani s pirolitičnimi metodami, lahko v laboratorijskih testih konkurrirajo platinu glede učinkovitosti pri reakciji redukcije kisika (ORR). Raziskovalci so ugotovili, da kobalt, dodan ogljikovim nanovlaknom, ustvarja te tridimenzionalne strukture, ki povečajo hitrost reakcije za približno 42 % v primerjavi s prejšnjimi različicami, kar je po mnenju ekipe Deng leta 2023 zelo pomembno. To je še posebej pomembno, ker je eden glavnih problemov prehodnih kovin vedno bil njihov hitri razpad ob ponavljajoči uporabi. Kar ti nove materiale razlikuje, je njihova sposobnost ohranjanja stabilnosti tudi pod spremenljivimi pogoji, kar ima velik pomen za dejanske aplikacije, kjer oprema izpostavljena stalnemu napetostnemu stanju in nihanjem temperature.

Primerjava zmogljivosti: Platinasti nasproti nanostrukturiranim tankoplastnim katalizatorjem

Čeprav nanostrukturiranje zmanjšuje razliko v zmogljivosti, ostaja trajnost glavna ovira za razširjeno uporabo.

Omejitve pri povečanju obsega nekoviščnih katalizatorjev v komercialnih gorivnih celicah

Izdelava naprednih nekoviščnih katalizatorjev zahteva natančne pirološke pogoje (900–1100 °C), kar otežuje masovno proizvodnjo. Poročilo DOE iz leta 2024 je ugotovilo, da prototipne gorilne celice na osnovi prehodnih kovin izgubijo 37 % začetne učinkovitosti po 5.000 urah, v primerjavi s samo 15 % degradacije v sistemih na osnovi platine. Zmanjšanje te razlike zahteva hkratne napreduke v metodah sinteze, primernih za povečanje obsega, in vrobustnih metodah integracije elektrod.

Razvoj konstrukcije protonskih izmenjevalnih membran in gorivnih celic trdnega oksida

Trendi pri nizkotemperaturnih PEMFC-ih za prometne aplikacije

Gorivne celice z protonsko izmenjalno membrano, ali PEMFC, kot se jim pogosto reče, delujejo precej dobro tudi pri temperaturah pod 80 stopinj Celzija. Zato so jih proizvajalci avtomobilov v zadnjem času zelo zainteresirani za uporabo v vozilih. Trenutni poudarek je na tem, kako gorivne celice obvladujejo zagon pri nizkih temperaturah in kaj se dogaja po večkratnih ciklih zamrzovanja in odmrzovanja. Nekatera raziskave iz lanskega leta so nakazale, da bi izboljšave v konstrukciji sestava membrane in elektrode lahko povečale učinkovitost za okoli 40 % v zelo hladnih pogojih. Medtem pa mnogi prototipi združujejo tehnologijo PEMFC s tradicionalnimi litij-ionskimi baterijskimi paketi. Ta kombinacija omogoča eksperimentalnim vodikovim avtomobilom doseči razdalje okoli 450 milj med polnitvami, kar veliko prispeva k reševanju ene največjih skrbi potencialnih kupcev glede električnih vozil sploh.

Tankejše in bolj trdne membrane, ki omogočajo višjo gostoto moči

Sulfonirani poli(eter eter keton), ali membrane SPEEK, trenutno povzročajo valove v industriji. Ti materiali omogočajo približno 30-odstotno boljšo prevodnost protonov, hkrati pa so debeli le polovico v primerjavi z razpoložljivimi rešitvami iz leta 2020, kar kaže raziskava s portala ScienceDirect iz lanskega leta. Še posebej impresivna je njihova stabilnost skozi tisoče ur delovanja v avtomobilskih aplikacijah, saj prenesejo več kot 8.000 ciklov obremenitve, ne da bi se pokvarili. Prav tako zmanjšujejo prehajanje vodika za približno 22 %, kar pomeni manj težav med obratovanjem. Najnovejše različice, okrepjene z oksidom grafitne folije, izgledajo še bolj obetavno in bi lahko dosegale gostoto moči 4,2 vatov na kvadratni centimeter. To bi predstavljalo pomemben napredek v primerjavi s tradicionalnimi membranami, približno 65-odstotno izboljšanje zmogljivosti, ki so najpomembnejše proizvajalcem, ki iščejo povečanje učinkovitosti.

Optimizacija upravljanja z vodo in plinskih difuzijskih slojev v konstrukciji PEMFC

Najnovejše bipolarne plošče sedaj vključujejo mikrofluidne kanale, natisnjene s 3D tiskalnikom, ki težave z poplavljanjem z vodo zmanjšajo približno za polovico in pomagajo enakomerno porazdeliti kisik po površini. Raziskovalci so ugotovili, da se pri uporabi biomimetičnih fraktalnih tokovnih polj napetostna izhodna moč poveča za približno 15 odstotkov pri 2 amperih na kvadratni centimeter, kar kaže raziskava, objavljena lansko leto. Plasti za difuzijo plinov, izdelane iz čutilnega materiala iz ogljikovih nanocevk, ponujajo prav tako impresivne lastnosti – imajo približno 90 % prostora za gibanje plinov in prevajajo elektriko s 0,5 Siemens na centimeter v ravnini. Te lastnosti ustvarjajo dober kompromis med učinkovitim prenosom elektronov in primernim transportom plinov znotraj sistema.

Inovacije materialov v keramičnih elektrolitih in anodah SOFC

Današnji sklopi trdnooksidnih gorivnih celic pogosto združujejo elektrolite cerije, dopirane z gadolinijem, s katodami LSCF, ki smo jih omenili prej, kar omogoča njihovo stabilno delovanje pri približno 650 stopinjah Celzija. To je dejansko zelo impresivno, saj so starejši modeli iz leta 2019 za učinkovito delovanje potrebovali temperaturo skoraj za 200 stopinj višjo. Kar se tiče anodne strani, so raziskovalci razvili kompozite Ni-YSZ z majhnimi porami velikosti 50 nanometrov, ki prav tako omogočajo precej dober izhodni moči. Po podatkih ScienceDirect iz lanskega leta so pri uporabi metana kot goriva dosegli 1,2 vatov na kvadratni centimeter pri napetosti le 0,7 volta. Precej dobri rezultati, glede na to, da večina ljudi še vedno meni, da ogljikovi vodiki niso primerni za gorilne celice.

Zniževanje obratovalnih temperatur SOFC z uporabo nanoionike

Nanašanje prevlek z nanoionskimi prevodniki na elektrode SOFC zmanjša mejno upornost za približno 60 odstotkov. To omogoča učinkovito delovanje sistemov pri le 550 stopinjah Celzija, hkrati pa se dosežejo izjemni deleži izkoristka goriva okoli 95 %. Raziskovalci so ugotovili, da tanko plasti skandijevega stabiliziranega cirkonija (ScSZ), narejene s tehnologijo odlaganja atomskih slojev, dosegajo ionsko prevodnost 0,1 S/cm pri temperaturah že pri 500 °C. To je primerljivo z YSZ na veliko višjih temperaturah okoli 800 °C, kar kažejo nedavne raziskave MDPI iz leta 2023. Takšni napreki omogočajo hitrejše zagonsko postopke in boljše ravnanje s temperaturnimi spremembami v času. Za industrije, ki se zanašajo na pomožne električne enote na letalih in težkih prevozilih, ti izboljški predstavljajo pomemben napredek proti učinkovitejšim energetskim rešitvam.

Integracija sistemov gorivnih celic in uporaba v resničnem svetu

Ravnotežje toplotne in električne enakomernosti pri skladiščenju gorivnih celic

Ko razlike v temperaturi med sloji skupka presežejo 15 stopinj Celzija, učinkovitost pade za 12 do 18 odstotkov, kar kaže raziskava s spleta ScienceDirect iz lanskega leta. Zato je ohranjanje enakomerne temperature po celotnem sklopu še naprej zelo pomembno. Sodobne rešitve za hlajenje združujejo mikrokanalske plošče in pametno programske opreme za napovedovanje toplote, kar rezultira v okoli 92 % stabilnega napetostnega izhoda, tudi pri skupkih z več kot 100 posameznimi celicami. Ti izboljšani sistemi omogočajo razširitev tehnologije gorivnih celic izven manjših aplikacij. Vidimo resnični potencial v področjih, kot so velika plovila, ki potrebujejo neprekinjeno energijo, in težka proizvodna oprema, ki zahteva zanesljive vire energije brez prekinitev.

Hibridni SOFC-turbinski sistemi za učinkovito statično proizvodnjo električne energije

Ko se trdne oksidne gorilne celice kombinirajo z plinskimi turbinskimi stroji, dejansko povečajo električno učinkovitost na približno 68 do 72 odstotkov. To je okoli 30 % več kot pri navadnih turbinah, ki delujejo same. Ključ je v tem, da se vsa presežna toplota iz izpuha turbine vrne nazaj v katodo SOFC, kar hibridnim sistemom omogoča izkoriščanje najmanjšega možnega dela uporabne energije. Tudi resnični testi so pokazali nekaj zelo impresivnega. Sistemi kombinirane proizvodnje toplote in elektrike (CHP) znatno zmanjšujejo emisije ogljikovega dioksida. Pri vsakem megavatu proizvedene električne energije te CHP konfiguracije zmanjšajo letne emisije za približno 8,2 metrične tone v primerjavi s tradicionalnimi generatorji. Glede na to, kako pomembno je zdaj zmanjševanje toplogrednih plinov za sodobne elektroenergetske sisteme, takšne hibridne tehnologije postajajo resnični prelomni trenutki pri prizadevanjih za čistejše in učinkovitejše električne omrežja.

Uporaba gorilnih celic v prometu in pri zmanjševanju industrijskih emisij

Gorilne celice se pojavljajo ne le v avtomobilih. Po podatkih ScienceDirect iz lanskega leta jih ima približno 45 odstotkov novo proizvedenih vilic in okoli petina regionalnih vlakov že preklopih na delovanje na vodik namesto na tradicionalna goriva. Resničen prelom pa poteka v tistih panogah, kjer je zmanjševanje ogljičnih emisij zelo zahtevno. Cementarne in tovarne jekla po vsem svetu začenjajo testirati velike instalacije gorilnih celic kot nadomestilo za svoje stare sisteme na premog. Nekateri zgodnji rezultati kažejo, da ti novi sistemi lahko med proizvodnjo zmanjšajo emisije skoraj za devet desetin. Še posebej zanimivo je, kako te instalacije gorilnih celic zanesljivo delujejo tudi v težkih pogojih – kar je natanko to, kar proizvajalci potrebujejo, kadar želijo zmanjšati vpliv na okolje, ne da bi pri tem izgubili na produktivnosti.

Prihodnji razvoj: Povezovanje inovacij in tržnega sprejema

Globalni trendi raziskav in razvoja materialov za gorilne celice ter odkrivanje s pomočjo umetne inteligence

Svet vsako leto porabi več kot 7,2 milijarde dolarjev za raziskave tehnologije gorilnih celic, kar kaže poročilo Clean Energy Trends 2024. Resnično zanimivo pa je, kako hitro strojno učenje spreminja stvari. Nekatere študije kažejo, da pospeši odkrivanje novih materialov od treh do štirikrat hitreje kot prej. To pomeni, da znanstveniki lahko stabilne katalizatorje in trdne elektrolite najdejo veliko hitreje kot v preteklosti. Tudi računalniški modeli so naredili veliko razliko, saj so čas, ki je prej trajal leta, skrčili na le še nekaj mesecev dela. Vzemimo za primer gorilne celice iz trdnega oksida. Z pomočjo umetne inteligence sedaj dosežejo učinkovitost okoli 92 % pri delovanju pri 650 stopinjah Celzija, kar je dejansko 150 stopinj hladneje kot je bilo prej običajno. Takšna izboljšava ima velik pomen za praktične uporabe.

Ključne ovire: Stroški, vzdržljivost in vrzeli v infrastrukturi vodika

Inovacije napredujejo hitro, vendar je še vedno težko te tehnologije spraviti na trg. Kaj je problem pri katalizatorjih brez platine? Ti se namreč obrabijo približno 40 odstotkov hitreje kot tisti, izdelani s kovinami redkih zemelj, ko so uporabljeni v dejanskih gorivnih celicah s protonsko izmenjalno membrano. Nato je tu še celotno vprašanje učinkovite proizvodnje in shranjevanja vodika, kar trenutno poveča skupne stroške za nekaj med 18 in 22 odstotki. Infrastruktura zaostaja še bolj. Od vseh načrtovanih postaj za polnjenje z vodikom le okoli sedem odstotkov dejansko ustreza zahtevi stiskanja na 700 barjev, ki je nujna za tovornjake in druga težka vozila. In naj ne pozabimo niti na predpise. Trenutno je le štirinajst držav po svetu uspelo vzpostaviti enotne standarde za certificiranje gorivnih celic, zaradi česar večina trgov ostaja razdrobljena in zmedena za proizvajalce, ki poskušajo prebaviti različne zahteve od države do države.

Iz laboratorija na trg: Povečevanje inovacij gorivnih celic za komercialno uporabo

Povezovanje vrzeli med pilotnimi projekti in proizvodnjo v polnem obsegu se dejansko svodi na iskanje načinov za proizvodnjo v velikih količinah. Odlaganje atomskih slojev, ali ALD, kot se temu pogosto reče na tem področju, danes pritegne resen interes za izdelavo majhnih nanostrukturiranih katalizatorjev, potrebnih za različne aplikacije. Tehnika kontinuiranega procesiranja membran, ki je prvotno bila razvita za sončne panoge, je pri uporabi v proizvodnji gorivnih celic dejansko zmanjšala stroške za približno 33 odstotkov. Nacionalni laboratoriji, ki tesno sodelujejo z avtomobilskimi proizvajalci, so proces zagotovo pospešili. Zahvaljujoč njihovemu skupnemu trudu sedaj vidimo nove konstrukcije gorivnih celic s protonsko izmenjalno membrano, ki pred zamenjavo trajajo približno 25.000 ur. To predstavlja precejšnjo izboljšavo v primerjavi s verzijami iz leta 2020, ki so trajale le približno 14.900 ur. Ob takšnem hitrem napredku izgleda, da uvedba teh naprednih tehnologij na trg ni več le mogoča, temveč vse bolj realna.

Pogosta vprašanja

Kakšne so prednosti uporabe nanotehnologije v gorivnih celicah?

Nanotehnologija izboljša materiale za gorivne celice tako, da poveča ionsko prevodnost, zmanjša prehodno upornost in omogoča ustvarjanje tanjših katalizatorskih slojev, kar rezultira v učinkovitejši porazdelitvi toplote in skupnejšem izboljšanem delovanju.

Kako neplatinasti katalizatorji znižujejo stroške gorivnih celic?

Neplatinasti katalizatorji, kot so tisti na osnovi železa ali kobalta, znatno znižujejo stroške gorivnih celic tako, da zmanjšajo stroške katalizatorjev do 75 %, hkrati pa ohranjajo primerljivo zmogljivost pri reakcijah redukcije kisika.

Kakšne so glavne izzive pri povečevanju obsega tehnologije gorivnih celic?

Ključni izzivi vključujejo stroške in trdnost materialov, pomanjkanje učinkovite infrastrukture za vodik ter potrebo po doslednih globalnih standardih in merljivih proizvodnih procesih za komercialne aplikacije gorivnih celic.

Kako hibridni sistemi SOFC-turbina izboljšujejo učinkovitost?

Hibridni sistemi SOFC-turbina povečajo učinkovitost z izkoriščanjem preostale toplote iz izpuha turbine za izboljšanje električne zmogljivosti, pri čemer dosegajo učinkovitost do 72 %, kar je znatno višje kot pri tradicionalnih turbinah sameh.

Kakšno vlogo igra umetna inteligenca pri raziskavah gorilnih celic?

Umetna inteligenca pospešuje odkrivanje in razvoj novih materialov, zmanjšuje čas, potreben za določitev stabilnih katalizatorjev in elektrolitov, ter končno izboljšuje učinkovitost in zmogljivost v praktičnih aplikacijah gorilnih celic.