Γραφένιο-Προστατευμένες Κυψέλες Καυσίμου Υδρογόνου Αυξάνουν την Αποδοτικότητα των Φορτηγών

Ερευνητές του UCLA και του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Ίρβαϊν ανέπτυξαν καταλύτη για κυψέλες καυσίμου υδρογόνου, στον οποίο μικροσκοπικές «θήκες» γραφενίου προστατεύουν σωματίδια λευκοχρύσου. Μετά από 90.000 επιταχυνόμενους κύκλους τάσης, η απώλεια ισχύος έμεινε κάτω από 1,1%. Η διάρκεια ζωής άνω των 200.000 ωρών είναι εκτίμηση από αυτές τις δοκιμές, όχι χρόνος λειτουργίας που έχει ήδη καταγράψει φορτηγό.

Υδρογόνο και βαρέα οχήματα

Η κυψέλη καυσίμου μετατρέπει τη χημική ενέργεια του υδρογόνου σε ηλεκτρισμό και κατά τη λειτουργία του οχήματος παράγει νερό. Οι μεγάλες διαδρομές, τα βαριά φορτία και ο χρόνος ανεφοδιασμού καθιστούν το υδρογόνο επιλογή για ορισμένες χρήσεις φορτηγών. Αυτό δεν σημαίνει ότι τα ηλεκτρικά φορτηγά με μπαταρία δεν μπορούν να καλύψουν καμία διαδρομή. Το κατάλληλο μέσο εξαρτάται από το δρομολόγιο, το κόστος και τις υποδομές φόρτισης ή ανεφοδιασμού. Η παραγωγή και μεταφορά του υδρογόνου επηρεάζουν επίσης τις συνολικές εκπομπές του.

Γιατί χρειάζεται ανθεκτικότερος καταλύτης;

Οι κυψέλες με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων χρειάζονται καταλύτη για να γίνουν αρκετά γρήγορα οι αντιδράσεις. Ο λευκόχρυσος και τα κράματά του μπορεί να χάνουν δραστικότητα έπειτα από επαναλαμβανόμενες μεταβολές τάσης. Το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ είχε θέσει τελικό στόχο διάρκειας 30.000 ωρών για ολόκληρο το σύστημα κυψέλης καυσίμου βαρέων οχημάτων. Η προβλεπόμενη ζωή ενός καταλύτη δεν είναι η ζωή όλων των εξαρτημάτων.

Λευκόχρυσος σε θήκες γραφενίου

Στη μελέτη του Nature Nanotechnology, πολύ λεπτά σωματίδια καθαρού λευκοχρύσου τοποθετήθηκαν μέσα σε θήκες γραφενίου, πάνω σε πορώδη άνθρακα Ketjenblack. Η διάταξη αποσκοπεί στο να περιορίζει τη μετακίνηση και συσσωμάτωση των σωματιδίων, αφήνοντας παράλληλα διαθέσιμη την ενεργή επιφάνειά τους. Δεν πρόκειται για εμπορική κυψέλη χωρίς λευκόχρυσο.

Πηγή: Ερευνητική ομάδα Huang, UCLA

Μετρήσεις και προβολή διάρκειας ζωής

Σύμφωνα με το UCLA, η πειραματική κυψέλη έφτασε περίπου 1,08 W/cm² σε πυκνότητα ισχύος και 71,9% σε μέγιστη απόδοση. Η απώλεια ισχύος μετά από 90.000 επιταχυνόμενους κύκλους τετραγωνικής τάσης ήταν μικρότερη από 1,1%. Με βάση αυτά, οι ερευνητές υπολογίζουν πιθανή διάρκεια άνω των 200.000 ωρών. Δεν λειτούργησαν την κυψέλη σε πραγματικό φορτηγό για τόσο χρόνο ούτε έδειξαν ότι η δεξαμενή και τα άλλα μέρη διαρκούν εξίσου.

Έχει κατατεθεί αίτηση διπλώματος ευρεσιτεχνίας. Απαιτούνται δοκιμές πλήρους συστήματος, μελέτες παραγωγής και σύγκριση κόστους πριν οριστεί εμπορικό χρονοδιάγραμμα. Η προηγούμενη έκδοση προέβλεπε διάθεση σε 5–10 χρόνια και φθηνότερο εθνικό δίκτυο ανεφοδιασμού υδρογόνου από δίκτυο φόρτισης. Η μελέτη δεν τεκμηριώνει αυτά τα συμπεράσματα.

Εφαρμογές και περιβαλλοντικό ισοζύγιο

Τα φορτηγά μεγάλων αποστάσεων, τα μηχανήματα έργων και οι σταθερές γεννήτριες είναι δυνητικές εφαρμογές, καθεμία με δικές της απαιτήσεις. Η εκπομπή νερού από το όχημα δεν ισοδυναμεί με μηδενικές εκπομπές στην παραγωγή και διανομή υδρογόνου. Η προέλευση, η τιμή, η μεταφορά και η ασφάλεια αποθήκευσης είναι κρίσιμες.

Η Linde στην αγορά υδρογόνου

Η Linde (LIN ) παράγει και διανέμει βιομηχανικά αέρια, μεταξύ τους και υδρογόνο. Δεν αναφέρεται ως συγγραφέας ή εταίρος στην έρευνα για τον καταλύτη. Το πανεπιστημιακό αποτέλεσμα δεν αποδεικνύει άμεση επίδραση στα έσοδα ή στη μετοχή της εταιρείας, ενώ οι παλιές στιγμιαίες τιμές της προηγούμενης έκδοσης αφαιρέθηκαν.

Νέα της Linde

Συμπέρασμα

Ο καταλύτης με προστασία γραφενίου έδειξε υποσχόμενη αντοχή στις επιταχυνόμενες δοκιμές. Η εξαιρετικά μεγάλη διάρκεια παραμένει εργαστηριακή πρόβλεψη. Η αξία του για τα φορτηγά θα κριθεί από δοκιμές πλήρους συστήματος και από τις συνθήκες της εφοδιαστικής αλυσίδας υδρογόνου.

Μελέτη και πηγές

Z. Liu και συν., «Pt catalyst protected by graphene nanopockets enables lifetimes of over 200,000 h for heavy-duty fuel cell applications», Nature Nanotechnology 20, 807–814 (2025)· UCLA, 25 Απριλίου 2025.