العلماء الصينيون يطورون خلايا وقود هيدروجينية جديدة بقدرة أعلى بأربع مرات

طور فريق من العلماء الصينيين نوعًا جديدًا من خلايا وقود غشاء تبادل البروتون (PEM)، حيث تبلغ قدرتها الإنتاجية أربعة أضعاف التصميمات التقليدية. يمثل هذا التقدم تحسينًا محتملًا في جدوى أنظمة الطاقة الهيدروجينية لتطبيقات السيارات والفضاء الجوي. وتعالج هذه التقنية تحديًا كبيرًا في خلايا الوقود الهيدروجينية، وهو سرعة انتقال البروتونات عبر طبقة المحفز المسؤولة عن توليد الطاقة. قام الباحثون بتصميم واجهة جديدة للمادة لتعزيز نقل البروتونات بشكل أكثر كفاءة داخل الخلية. وصرح لي جيه، الأستاذ المساعد في جامعة بكين للتكنولوجيا، بأن هذه التقنية الجديدة تجعل "مكدس خلايا وقود السيارة أصغر حجمًا وأخف وزنًا، ويمكن للسيارة أن تحقق ناتجًا مستمرًا أقوى ومدى قيادة أطول."

تعمل خلايا وقود PEM بسرعة البروتونات عادةً في نطاق درجات حرارة من 60 إلى 80 درجة مئوية، وتحول حوالي 50% إلى 60% من طاقة الهيدروجين المخزنة إلى طاقة كهربائية. في الخلية، يطلق الهيدروجين في الأنود الإلكترونات والبروتونات. تنتقل البروتونات عبر غشاء الإلكتروليت، بينما تمر الإلكترونات عبر دائرة خارجية لتوليد الكهرباء. في الكاثود، تتحد البروتونات والإلكترونات مع الأكسجين لتكوين الماء. لطالما كان هناك تحدٍ في طبقة المحفز. يمكن للمواد مثل Nafion أن تحيط بالمحفز على المستوى النانوي بكثافة، مما يعيق نقل البروتونات بسرعة إلى مواقع التفاعل.

تعزيز نقل البروتونات من خلال الواجهة الجديدة للمادة

طور فريق جامعة بكين للتكنولوجيا واجهة حمض برونستيد-قاعدة لويس، مما يوفر مواقع إضافية لنقل البروتونات. وأظهرت نتائج التجارب أن انتشار البروتونات زاد بمقدار عشرة أضعاف، وازدادت موصلية البروتونات بمقدار 6.5 مرة. كما انخفضت طاقة التنشيط إلى النصف.

قدرة أكبر بأربع مرات في ظل الظروف التشغيلية القياسية، تصل هذه الخلية الجديدة إلى قدرة 0.75 واط لكل سنتيمتر مربع عند 0.7 فولت، أي حوالي أربعة أضعاف التصميمات التقليدية. ويظهر النظام قدرة 6.9 كيلوواط لكل جرام من البلاتين، وهي مؤشر مهم نظرًا للتكلفة العالية للبلاتين كمحفز لخلية الوقود. بعد 30,000 دورة من اختبارات الضغط المتسارع، احتفظ النظام الجديد بنسبة 63% من ذروة قدرته الأولية، بينما احتفظ النظام التقليدي بنسبة 30% فقط في ظل نفس الظروف. وأشار الباحثون إلى أنه يمكن إنتاج هذه المادة المركبة على نطاق عملي.

«حاليًا، يمكنهم في المختبر إنتاج حوالي 100 جرام في ثلاثة أيام، وهو ما يكفي لدعم 10 مكدسات بقدرة 100 كيلوواط.» هذا ما صرح به لي جيه.

تطبيقات التقنية في الفضاء الجوي

إمكانيات تتجاوز النقل البري قد تكون لهذه التقنية مزايا في التطبيقات التي تتطلب اعتبارات حاسمة للوزن والفضاء وكثافة القدرة. وأكد الباحثون على أهميتها لتطبيقات الفضاء الجوي التي تعتمد على الأكسجين السائل، حيث يمكن أن يؤثر نقل البروتونات الفعال بشكل كبير على أداء خلية الوقود بشكل عام. «تقنيتنا تحل مشكلة توليد الكهرباء بكفاءة أعلى وفي حجم مكدس أصغر. وهذا يتوافق مع احتياجات أنظمة طاقة الفضاء الجوي.» هذا ما صرح به لي جيه. يأتي هذا التقدم في وقت يتوسع فيه قطاع الطاقة الهيدروجينية في الصين. وبحلول نهاية عام 2025، ستتجاوز قدرة إنتاج الهيدروجين في الصين 51 مليون طن سنويًا.

كما تستحوذ الصين على 53% من مشاريع الهيدروجين المتجدد الناتج عن التحليل الكهربائي للماء.

يبقى التوسع على نطاق واسع هو التحدي التالي بحلول نهاية عام 2025، سيكون عدد مركبات خلايا الوقود في الصين حوالي 32,000 سيارة. وفي مارس 2026، حددت ثلاث وزارات حكومية مركزية هدفًا يتمثل في الوصول إلى 100,000 سيارة تعمل بخلايا الوقود بحلول عام 2030، ودفع سعر الهيدروجين إلى 25 يوانًا صينيًا لكل كيلوغرام (حوالي 28 دولارًا هونج كونج). لا يزال يتعين على هذه التقنية الجديدة أن تثبت قدرتها على الإنتاج على نطاق صناعي وبطريقة فعالة من حيث التكلفة، مع الحفاظ على السلامة والموثوقية على المدى الطويل. «لا تحتاج سيارات خلايا الوقود إلى محاكاة السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات.»

«تعتبر السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات مناسبة للرحلات القصيرة، بينما تناسب خلايا الوقود الشاحنات الثقيلة والنقل لمسافات طويلة والحالات التي تتطلب التزود بالوقود السريع والمدى الطويل.» هذا ما صرح به لي جيه. «في الخطوة التالية، سيقوم الفريق ببناء واختبار مكدسات خلايا وقود عالية الأداء لمختلف السيناريوهات. وسنوسع أيضًا المواد والتقنيات ذات الصلة ونحولها إلى منتجات حقيقية.» وقد تم نشر نتائج أبحاث الفريق في مجلة "ساينس".

المشروع	المواصفات
القدرة الإنتاجية	0.75 واط لكل سنتيمتر مربع
قدرة كل جرام من البلاتين	6.9 كيلوواط
زيادة انتشار البروتونات	عشرة أضعاف
زيادة موصلية البروتونات	6.5 مرة
نسبة الاحتفاظ بالقدرة الأولية	63%

التأثير المحتمل لخلية الوقود الهيدروجينية الجديدة

يمثل هذا الاختراق في تقنية خلية الوقود الهيدروجينية الجديدة إمكانيات كبيرة في تحسين القدرة والكفاءة، خاصة في مجالات السيارات والفضاء الجوي. ومع التوسع السريع لقطاع الطاقة الهيدروجينية في الصين، فإن التطبيق الناجح لهذه التقنية سيساعد في تعزيز انتشار سيارات خلايا الوقود وقد يغير من طريقة استخدام الطاقة في النقل الثقيل. ومع ذلك، يظل الإنتاج على نطاق صناعي والحفاظ على الكفاءة من حيث التكلفة من التحديات الرئيسية التي يجب التغلب عليها في المستقبل.