كبديل لحذر الوقود الأحفوري ، تحمل خلايا وقود الهيدروجين وعدًا هائلاً. لكنهم أيضًا صعبة للغاية ومكلفين لإدارتها ، وهو ما يفسر إلى حد كبير سبب عدم رؤيته في كل مكان (أو في أي مكان ، في هذا الشأن ، باستثناء بعض المبادرات التي هي “استكشاف“كفاءتها). لكن هذا قد يتغير قريبًا.
في مواد الطبيعة ورقة نشرت في 8 أغسطس ، أعلن الباحثون عن تطوير نوع جديد من خلية وقود الأكسيد الصلبة (SOFC) التي تعالج مشكلة أساسية لهذه المنافذات: درجة الحرارة. خلايا وقود الهيدروجين ، نوع من SOFC ، تحويل غاز الهيدروجين مباشرة إلى الطاقة والماء. هذه العملية ، على الرغم من أنها فعالة للغاية وطويلة الأمد ، تتطلب درجات حرارة تشغيل عالية يبعث على السخرية تتراوح بين 1،292 إلى 1،472 درجة فهرنهايت (700 إلى 800 درجة مئوية).
الخلية الجديدة ، ومع ذلك ، تعمل على 572 درجة فهرنهايت فقط (300 درجة مئوية) ، أقل من نصف ما كان مطلوبًا سابقًا. وقال يوشيهيرو يامازاكي ، مؤلف كبير من المؤلفين ومهندس مواد في جامعة كيوشو في اليابان ، “إن خفض درجة حرارة العمل إلى 300 درجة مئوية من شأنه أن يؤدي إلى خفض تكاليف المواد ويفتح الباب على أنظمة مستوى المستهلك”. إفادة.
على وجه التحديد ، ركز الفريق على إعادة هندسة المنحل بالكهرباء ، وهي طبقة من السيراميك المكونة من هياكل ذرية مختلفة مرتبة في شعرية بلورية. في خلايا وقود الهيدروجين ، تنتقل أيونات الهيدروجين المشحونة بشكل إيجابي ، أو البروتونات ، عبر هذه المسارات البلورية لتحويل غاز الهيدروجين إلى الطاقة والماء. عادة ، يجب أن تعمل خلية الوقود في ظل درجات حرارة عالية للغاية للعمل ، والتي حاول الباحثون تجاوزها باستخدام المنشطات الكيميائية—القمص المضافة لمعالجة الخواص الفيزيائية للمادة – في تركيبة مع بلورة أكسيد مناسبة.
“لكن هذا يأتي أيضًا مع تحد” ، أوضح يامازاكي. “يمكن أن تؤدي إضافة المنشطات الكيميائية إلى زيادة عدد البروتونات المتنقلة التي تمر عبر المنحل بالكهرباء ، ولكنها عادة ما تسد الشبكة البلورية ، مما يبطئ البروتونات”.
بعد اختبار العديد من المرشحين ، احتجز الفريق على مركبتين ، Barium Stannate و Barium Titanate. عندما يتم تعاطيها مع Scandium عند درجة حرارة 572 درجة فهرنهايت ، أظهرت المادتان مستويات الكفاءة في PAR مع SOFCs الموجودة في درجات حرارة أعلى بكثير.
وأوضح يامازاكي أن ذرات النكانتيوم مغلقة على ذرات الأكسجين لتشكيل “طريق سريع عريض ومهتوم برفق (جزيئي) مكّن البروتونات من السفر مع” حاجز هجرة منخفض غير عادي “. وأضاف أن المركبات المستخدمة في هذا المنحل بالكهرباء هي أيضًا أكثر ليونة مما يستخدم تقليديًا لبناء مثل هذه الخلايا ، وهو ما كان من المحتمل أن تمتص المركبات بسهولة Dopant.
وقال يامازاكي: “يحول عملنا مفارقة علمية طويلة الأمد إلى حل عملي ، مما يجعل قوة الهيدروجين بأسعار معقولة أقرب إلى الحياة اليومية”.
مقارنة بدرجات حرارة الغرفة ، لا تزال 572 درجة فهرنهايت مرتفعة للغاية. ومع ذلك ، فإن هذا التخفيض لا يزال مهمًا ويرسم مستقبلًا واعداً لخفض درجات حرارة التشغيل بشكل أكبر – وكذلك تكاليف التشغيل – للتنفيذ العملي الواسع النطاق لـ SOFCs.