به گزارش تجارت نیوز، پیل‌های سوختی هیدروژنی یکی از گزینه‌های مطرح برای تولید برق پاک در خودروها و برخی سامانه‌های انرژی هستند، اما هزینه بالا، وابستگی به کاتالیزورهای گران‌قیمت و محدودیت چگالی توان همچنان مانع گسترش آنهاست.
اکنون گروهی از پژوهشگران چینی ادعا می‌کنند با تغییر یکی از بخش‌های کلیدی پیل سوختی، توان خروجی آن را به شکل چشمگیری افزایش داده‌اند. این گروه از دانشمندان مؤسسه فناوری پکن، یا BIT، نوع جدیدی از پیل سوختی غشای تبادل پروتون را توسعه داده‌اند که در شرایط استاندارد آزمایش به توان ۰.۷۵ وات بر سانتی‌متر مربع و در ولتاژ ۰.۷ ولت رسیده است.
این میزان توان طبق نتایج منتشرشده، تقریباً چهار برابر بیشتر از طراحی‌های متداول عنوان شده است. نکته مهم این است که افزایش عملکرد تنها با افزایش میزان مواد گران‌قیمت حاصل نشده، بلکه پژوهشگران تلاش کرده‌اند یکی از موانع اساسی در مسیر حرکت پروتون‌ها داخل پیل را برطرف کنند.
لی جی، استادیار مؤسسه فناوری پکن و یکی از نویسندگان این پژوهش، می‌گوید این فناوری می‌تواند امکان ساخت مجموعه‌های قدرت کوچک‌تر و سبک‌تر را فراهم کند؛ موضوعی که در خودروهای هیدروژنی و به‌خصوص کاربردهای هوافضایی اهمیت زیادی دارد.
پروتون‌ها چرا برای پیل سوختی اهمیت دارند؟
برای درک دلیل اهمیت این دستاورد، ابتدا باید نگاهی به نحوه عملکرد پیل سوختی غشای تبادل پروتون داشت. این نوع پیل از هیدروژن برای تولید برق استفاده می‌کند و محصول جانبی اصلی آن آب است.
پیل‌های PEM معمولاً در دمایی حدود ۱۴۰ تا ۱۷۶ درجه فارنهایت، معادل تقریباً ۶۰ تا ۸۰ درجه سانتی‌گراد فعالیت می‌کنند. در این فرآیند، مولکول‌های هیدروژن در بخش آند به پروتون و الکترون تجزیه می‌شوند.
پروتون‌ها باید از غشای الکترولیت عبور کنند، اما الکترون‌ها نمی‌توانند از این غشا عبور کنند و در عوض از یک مدار خارجی حرکت می‌کنند. همین حرکت الکترون‌ها جریان الکتریکی مورد استفاده برای تأمین انرژی تجهیزات را ایجاد می‌کند.
در سمت دیگر پیل، یعنی کاتد، پروتون‌ها پس از عبور از غشا با الکترون‌ها و اکسیژن واکنش می‌دهند و آب تشکیل می‌شود.
بنابراین، سرعت و سهولت حرکت پروتون‌ها در ساختار پیل مستقیماً بر عملکرد آن تأثیر می‌گذارد. هر مانعی که انتقال پروتون را کند کند، می‌تواند میزان برق تولیدی و بازده کل سامانه را کاهش دهد.
مشکل در لایه‌ای پنهان از ساختار پیل
یکی از نقاط حساس در پیل‌های سوختی، لایه کاتالیزور است؛ بخشی که واکنش‌های شیمیایی لازم برای تولید برق در آن انجام می‌شود.
در این قسمت، مواد مختلفی برای ایجاد محیط مناسب جهت واکنش و انتقال یون‌ها به کار می‌روند. یکی از موادی که در این ساختارها استفاده می‌شود، نفیون است. با این حال، قرار گرفتن مواد کاتالیزوری در مقیاس نانو و احاطه شدن آنها توسط این مواد می‌تواند مسیر حرکت پروتون‌ها را دشوار کند.
به عبارت دیگر، حتی اگر محل واکنش به اندازه کافی کاتالیزور داشته باشد، پروتون‌ها ممکن است نتوانند با سرعت مناسب خود را به محل واکنش برسانند.
تیم تحقیقاتی مؤسسه فناوری پکن برای حل این مسئله، یک رابط جدید میان مواد مختلف ایجاد کرده است که بر پایه برهم‌کنش اسید برونستد و باز لوئیس طراحی شده است.
هدف این رابط، ایجاد مسیرهای بیشتری برای جابه‌جایی پروتون‌ها در داخل ساختار پیل بوده است. نتایج آزمایش‌ها نشان داد که این تغییر می‌تواند انتقال پروتون را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.
افزایش ۱۰ برابری انتشار پروتون
نتایج آزمایشگاهی نشان می‌دهد که رابط جدید توانسته انتشار پروتون را حدود ۱۰ برابر افزایش دهد. در کنار آن، رسانایی پروتون نیز حدود ۶.۵ برابر بهبود یافته است.
یکی دیگر از شاخص‌های مهم، انرژی فعال‌سازی است. این پارامتر نشان می‌دهد برای آغاز و پیشبرد یک فرآیند شیمیایی چه میزان انرژی لازم است. پژوهشگران اعلام کرده‌اند که طراحی جدید باعث شده انرژی فعال‌سازی انتقال پروتون بیش از نصف کاهش پیدا کند.
این تغییرات در کنار یکدیگر باعث شده‌اند پروتون‌ها مسیر آسان‌تری برای حرکت در ساختار پیل داشته باشند. نتیجه نهایی نیز در سطح عملکرد کل سامانه دیده شده است؛ جایی که پژوهشگران به توان خروجی بسیار بالاتری نسبت به طراحی‌های مرسوم دست یافته‌اند.
رسیدن به توان ۰.۷۵ وات بر سانتی‌متر مربع
در آزمایش‌های انجام‌شده تحت شرایط عملیاتی استاندارد، پیل سوختی جدید در ولتاژ ۰.۷ ولت توان ۰.۷۵ وات بر سانتی‌متر مربع تولید کرد.
پژوهشگران این مقدار را تقریباً چهار برابر توان خروجی نمونه‌های مرسوم اعلام کرده‌اند. افزایش چگالی توان از مهم‌ترین اهداف توسعه پیل‌های سوختی است، زیرا هرچه توان بیشتری از حجم و وزن مشخصی از سامانه به دست آید، امکان ساخت مجموعه‌های قدرت کوچک‌تر فراهم می‌شود.
این موضوع در خودروها اهمیت دارد؛ زیرا فضای نصب سیستم انرژی محدود است و کاهش وزن نیز می‌تواند بر مصرف انرژی و برد خودرو تأثیر بگذارد.
در کاربردهای هوافضایی اهمیت مسئله حتی بیشتر می‌شود. در هواپیماها و سامانه‌های پروازی، هر کیلوگرم وزن اضافه می‌تواند اهمیت زیادی داشته باشد. به همین دلیل، فناوری‌ای که بتواند توان بیشتری را در حجم و وزن کمتر تولید کند، می‌تواند برای این صنعت جذاب باشد.
پلاتین کمتر، ارزش اقتصادی بیشتر
یکی از مشکلات قدیمی پیل‌های سوختی PEM استفاده از پلاتین به عنوان کاتالیزور است. پلاتین عملکرد بسیار مناسبی دارد، اما فلزی گران‌قیمت است و استفاده گسترده از آن می‌تواند هزینه تولید پیل‌های سوختی را افزایش دهد.
پژوهشگران در طراحی جدید به شاخص ۶.۹ کیلووات به ازای هر گرم پلاتین دست یافته‌اند. این معیار از آن جهت اهمیت دارد که نشان می‌دهد چه میزان توان می‌توان با مقدار مشخصی از پلاتین تولید کرد.
افزایش این نسبت می‌تواند به کاهش وابستگی سیستم به مقدار زیادی از فلز گران‌بها کمک کند. در صورت تأیید نتایج در مقیاس صنعتی، چنین ویژگی‌ای می‌تواند یکی از موانع اقتصادی توسعه پیل‌های سوختی را کاهش دهد.
به بیان دیگر، مسئله فقط تولید برق بیشتر نیست؛ هدف این است که توان بیشتری با استفاده مؤثرتر از مواد گران‌قیمت تولید شود.
دوام بیشتر در آزمایش‌های فشرده
عملکرد اولیه بالا زمانی ارزشمند است که فناوری بتواند برای مدت طولانی نیز کار کند. یکی از آزمایش‌های انجام‌شده روی نمونه جدید، آزمایش استرس شتاب‌دهی‌شده در ۳۰ هزار چرخه بوده است.
پس از پایان این آزمایش، پیل سوختی جدید توانست ۶۳ درصد از اوج توان اولیه خود را حفظ کند. در شرایط مشابه، سیستم‌های متداول تنها حدود ۳۰ درصد از توان اولیه خود را حفظ کردند.
این اختلاف نشان می‌دهد که طراحی جدید علاوه بر افزایش توان اولیه، می‌تواند مقاومت بیشتری در برابر افت عملکرد داشته باشد.
با این حال، آزمایش‌های شتاب‌دهی‌شده با استفاده طولانی‌مدت در یک خودرو یا سامانه هوافضایی یکسان نیستند و برای ارزیابی واقعی دوام، باید آزمایش‌های طولانی‌مدت در شرایط عملیاتی انجام شود.
آیا تولید این ماده در مقیاس بالا امکان‌پذیر است؟
یکی از پرسش‌های مهم درباره هر فناوری جدید این است که آیا می‌توان آن را از آزمایشگاه به کارخانه منتقل کرد یا خیر.
تیم پژوهشی اعلام کرده است که ماده کامپوزیتی مورد استفاده در طراحی جدید قابلیت تولید در مقیاس عملی را دارد. به گفته لی جی، پژوهشگران در شرایط آزمایشگاهی می‌توانند حدود ۱۰۰ گرم از این ماده را طی سه روز تولید کنند.
این میزان، به گفته او، برای ساخت حدود ۱۰ استک ۱۰۰ کیلوواتی کافی است.
البته این ارقام هنوز به معنای آماده بودن فناوری برای تولید انبوه نیستند. فرآیند صنعتی باید از نظر هزینه، سرعت تولید، کیفیت یکنواخت، دوام و ایمنی مورد بررسی قرار گیرد. فاصله میان تولید نمونه آزمایشگاهی و تولید انبوه تجهیزات تجاری معمولاً یکی از دشوارترین مراحل توسعه فناوری‌های انرژی است.
کاربردهایی فراتر از خودروهای هیدروژنی
خودروها احتمالاً شناخته‌شده‌ترین کاربرد پیل‌های سوختی هستند، اما تنها بازار بالقوه این فناوری محسوب نمی‌شوند.
سامانه‌هایی که به چگالی توان بالا و وزن پایین نیاز دارند، می‌توانند از افزایش عملکرد پیل‌های سوختی سود ببرند. به همین دلیل، پژوهشگران توجه ویژه‌ای به کاربردهای هوافضایی نشان داده‌اند.
در برخی سامانه‌های هوافضایی که از اکسیژن مایع استفاده می‌کنند، طراحی پیل و نحوه انتقال پروتون می‌تواند تأثیر مستقیمی بر عملکرد کلی مجموعه داشته باشد. اگر بتوان توان بیشتری را در فضای کمتر تولید کرد، طراحی سامانه‌های انرژی برای چنین کاربردهایی نیز می‌تواند انعطاف‌پذیرتر شود.
لی جی معتقد است فناوری جدید به دنبال حل مسئله تولید برق با راندمان و چگالی توان بالاتر در حجم کوچک‌تر از استک پیل سوختی است؛ ویژگی‌ای که با نیازهای سامانه‌های انرژی هوافضایی همخوانی دارد.
چرا چین روی پیل‌های سوختی سرمایه‌گذاری می‌کند؟
پیشرفت این فناوری را باید در چارچوب توسعه سریع صنعت هیدروژن در چین نیز دید. بر اساس آمار ارائه‌شده در گزارش، ظرفیت تولید هیدروژن چین تا پایان سال ۲۰۲۵ از ۵۱ میلیون تن در سال عبور کرده است.
چین همچنین حدود ۵۳ درصد از پروژه‌های هیدروژن تولیدشده با انرژی‌های تجدیدپذیر و مبتنی بر الکترولیز را در اختیار داشته است.
بازار خودروهای پیل سوختی نیز در این کشور در حال توسعه است. تا پایان سال ۲۰۲۵، حدود ۳۲ هزار خودروی پیل سوختی در چین در حال فعالیت بودند.
در مارس ۲۰۲۶ نیز سه وزارتخانه دولت مرکزی چین هدف‌گذاری کرده‌اند که تعداد خودروهای پیل سوختی تا سال ۲۰۳۰ به ۱۰۰ هزار دستگاه برسد. در کنار این هدف، کاهش قیمت هیدروژن به کمتر از ۲۵ یوان برای هر کیلوگرم، معادل حدود ۳.۵۰ دلار، نیز مورد حمایت قرار گرفته است.
این آمار نشان می‌دهد که چین تنها روی تولید خود سلول‌های سوختی کار نمی‌کند، بلکه هم‌زمان در حال توسعه زیرساخت هیدروژن و بازار مصرف آن نیز هست.
آیا خودروهای هیدروژنی می‌توانند با خودروهای برقی رقابت کنند؟
پیشرفت فناوری پیل سوختی الزاماً به معنای جایگزینی خودروهای باتری‌دار نیست. هر دو فناوری نقاط قوت و ضعف متفاوتی دارند و احتمالاً در بخش‌های مختلف حمل‌ونقل مورد استفاده قرار خواهند گرفت.
خودروهای برقی باتری‌دار برای بسیاری از سفرهای روزمره و مسیرهای کوتاه مناسب هستند، اما افزایش وزن باتری در خودروهای سنگین و کامیون‌های مسافت‌پیمای طولانی می‌تواند به یک چالش تبدیل شود.
در مقابل، خودروهای پیل سوختی می‌توانند برای وسایل نقلیه‌ای که نیازمند برد بالا، زمان سوخت‌گیری کوتاه و فعالیت مداوم هستند، گزینه جذاب‌تری باشند.
لی جی نیز بر همین تفاوت تأکید کرده و معتقد است خودروهای پیل سوختی لازم نیست از مدل خودروهای برقی باتری‌دار پیروی کنند. از نگاه او، کامیون‌های سنگین، حمل‌ونقل طولانی‌مسافت و وسایل نقلیه‌ای که به سوخت‌گیری سریع و برد بالا نیاز دارند، می‌توانند از بازارهای مهم این فناوری باشند.
آزمایش صنعتی، چالش اصلی پیش رو
با وجود نتایج امیدوارکننده، هنوز نمی‌توان گفت پیل سوختی جدید آماده ورود گسترده به بازار است. افزایش چهار برابری توان، بهبود انتقال پروتون و عملکرد بهتر در آزمایش‌های دوام، همگی نتایج مهمی هستند، اما یک فناوری انرژی برای تجاری‌سازی باید در شرایط بسیار پیچیده‌تری ارزیابی شود.
هزینه تولید، قابلیت ساخت انبوه، ثبات عملکرد در طول زمان، مقاومت در برابر تغییرات دما و فشار و رفتار سیستم در شرایط واقعی از جمله عواملی هستند که باید بررسی شوند.
موضوع دیگری که اهمیت دارد، عملکرد کل استک است. دستیابی به نتایج مطلوب در ماده یا سلول به تنهایی تضمین نمی‌کند که یک مجموعه کامل پیل سوختی نیز در مقیاس خودرو یا هواپیما همان عملکرد را ارائه دهد.
به همین دلیل، مرحله بعدی تحقیقات تیم چینی ساخت و آزمایش استک‌های پیل سوختی با عملکرد بالا برای کاربردهای مختلف خواهد بود. پژوهشگران همچنین قصد دارند تولید مواد و فناوری‌های مرتبط را در مقیاس بزرگ‌تری دنبال کنند و در نهایت آنها را به محصولات واقعی تبدیل کنند.
آیا پیل سوختی وارد مرحله تازه‌ای می‌شود؟
دستاورد جدید پژوهشگران چینی را می‌توان تلاشی برای حل یکی از مشکلات بنیادی پیل‌های سوختی دانست: چگونه می‌توان واکنش‌های تولید برق را سریع‌تر و مؤثرتر کرد، بدون آنکه برای رسیدن به توان بالاتر، حجم و وزن سامانه یا میزان استفاده از مواد گران‌قیمت افزایش پیدا کند.
اگر نتایج این پژوهش در آزمایش‌های بزرگ‌تر و شرایط واقعی نیز تکرار شود، افزایش چگالی توان می‌تواند طراحی سامانه‌های هیدروژنی را تغییر دهد. در چنین شرایطی، مهندسان آزادی بیشتری برای کوچک‌تر کردن مجموعه‌های قدرت یا افزایش توان خروجی در همان ابعاد خواهند داشت.
با این حال، آینده این فناوری بیش از هر چیز به مرحله‌ای وابسته است که اکنون پیش روی پژوهشگران قرار دارد: تبدیل یک نتیجه آزمایشگاهی موفق به محصولی که بتواند هزاران ساعت در شرایط واقعی کار کند و با هزینه قابل قبول تولید شود.
گسترش زیرساخت هیدروژن در چین، افزایش تعداد خودروهای پیل سوختی و هدف‌گذاری برای رسیدن به ۱۰۰ هزار دستگاه تا سال ۲۰۳۰، محیط مناسبی برای آزمایش کاربردهای عملی این فناوری ایجاد کرده است. در صورت موفقیت مرحله صنعتی، پیل‌های سوختی با چگالی توان بالاتر می‌توانند نه‌تنها در خودروهای سنگین، بلکه در حوزه‌هایی مانند هوافضا و سایر سامانه‌های حساس به وزن نیز جایگاه پررنگ‌تری پیدا کنند. یافته‌های این تیم پژوهشی در مجله Science منتشر شده است.
