นักวิทยาศาสตร์จีนพัฒนาโซลาร์เซลล์ชนิดใหม่ที่ใช้ไฮโดรเจน ทำให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นสี่เท่า

กลุ่มนักวิทยาศาสตร์จีนได้พัฒนาโซลาร์เซลล์ชนิดใหม่ที่ใช้เทคโนโลยีแบบเปลือย (PEM) ที่มีความสามารถในการผลิตพลังงานสูงถึงสี่เท่าของการออกแบบแบบดั้งเดิม นับเป็นความก้าวหน้าที่จะเพิ่มประสิทธิภาพของระบบพลังงานไฮโดรเจนในการใช้งานทั้งในยานยนต์และอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การพัฒนานี้ได้แก้ปัญหาอย่างสำคัญของโซลาร์เซลล์ไฮโดรเจน นั่นคือความเร็วในการเคลื่อนที่ของโปรตอนผ่านชั้นตัวเร่งที่ทำหน้าที่ผลิตไฟฟ้า ทีมวิจัยได้ออกแบบอินเตอร์เฟซของวัสดุใหม่เพื่อส่งเสริมการเคลื่อนที่ของโปรตอนในเซลล์ไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น นักวิทยาศาสตร์ของมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีปักกิ่ง หลี่ เจิ้ง ได้กล่าวว่า เทคโนโลยีใหม่นี้ทำให้ "กองสแต็กของเซลล์ไฟฟ้าสำหรับรถยนต์ที่ใช้เซลล์ไฟฟ้าสามารถมีขนาดเล็กลงและเบาลง และรถยนต์สามารถมีการผลิตพลังงานที่ยั่งยืนและระยะทางการวิ่งที่ยาวได้มากขึ้น"

โปรตอนที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว โซลาร์เซลล์ PEM มักทำงานในช่วงอุณหภูมิ 60 ถึง 80 องศาเซลเซียส และแปลงประมาณ 50% ถึง 60% ของพลังงานที่เก็บไว้ในไฮโดรเจนเป็นไฟฟ้า ในเซลล์ โมเลกุลไฮโดรเจนจะปล่อยอิเล็กตรอนและโปรตอนที่แอโนด โปรตอนจะเคลื่อนที่ผ่านแผ่นไอโอนและอิเล็กตรอนจะผ่านวงจรภายนอกเพื่อสร้างไฟฟ้า ในแคโทด โปรตอนและอิเล็กตรอนจะรวมกับออกซิเจนเพื่อสร้างน้ำ ชั้นตัวเร่งมีความท้าทายอย่างยาวนาน วัสดุเช่น Nafion สามารถล้อมรอบตัวเร่งในระดับนาโนเมตร และกีดขวางการเคลื่อนที่ของโปรตอนไปยังจุดที่เกิดปฏิกิริยา

อินเตอร์เฟซของวัสดุใหม่เพิ่มการเคลื่อนที่ของโปรตอน

ทีมของมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีปักกิ่งได้พัฒนาอินเตอร์เฟซแบบบรอนส์เตด-ลูยิส โดยให้จุดที่เพิ่มเติมในการเคลื่อนที่ของโปรตอน ผลการทดลองแสดงว่าการเคลื่อนที่ของโปรตอนเพิ่มขึ้นถึงสิบเท่า และการนำไฟฟ้าของโปรตอนเพิ่มขึ้น 6.5 เท่า ในขณะที่พลังงานการเร่งลดลงถึงครึ่งหนึ่ง

สี่เท่าของพลังงาน ในเงื่อนไขการทำงานมาตรฐาน โซลาร์เซลล์ใหม่นี้ในแรงดัน 0.7 โวลต์ จะผลิตพลังงานถึง 0.75 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตร ซึ่งประมาณสี่เท่าของการออกแบบแบบดั้งเดิม ระบบนี้แสดงถึงพลังงาน 6.9 กิโลวัตต์ต่อกรัมของแพลทินัม ซึ่งเป็นตัวชี้วัดที่สำคัญ เนื่องจากแพลทินัมเป็นตัวเร่งที่มีราคาแพงสำหรับโซลาร์เซลล์ หลังจากการทดสอบการวนกดกับความเร่ง 30,000 รอบ ในระบบใหม่ยังคงความสามารถในการผลิตพลังงานสูงสุดเดิม 63% ในขณะที่ในระบบดั้งเดิมเพียง 30% นักวิทยาศาสตร์ระบุว่า วัสดุผสมนี้สามารถผลิตในระดับที่เป็นทางการได้

“ในห้องทดลอง ในปัจจุบันพวกเขาสามารถผลิตประมาณ 100 กรัมในสามวัน ซึ่งเพียงพอที่จะสนับสนุน 10 กองสแต็กของ 100 กิโลวัตต์” หลี่ เจิ้ง ได้กล่าว

การใช้งานในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ

ความเป็นไปได้ที่เกินการจราจรถึงทางหนทาง เทคโนโลยีนี้อาจมีข้อได้เปรียบในการใช้งานที่มีความสำคัญต่อการจำกัดน้ำหนัก พื้นที่ และความหนาแน่นของพลังงาน ทีมวิจัยเน้นว่า มันมีความสำคัญต่อระบบการบินและอวกาศที่ใช้ออกซิเจนเหลว เนื่องจากการเคลื่อนที่ของโปรตอนที่มีประสิทธิภาพสามารถมีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพโซลาร์เซลล์โดยรวม “เทคโนโลยีของเราจัดการปัญหาการสร้างไฟฟ้าด้วยประสิทธิภาพสูงและความหนาแน่นพลังงานสูงในขนาดกองสแต็กที่เล็กลง นั่นเป็นสิ่งที่สอดคล้องกับความต้องการของระบบพลังงานในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ” หลี่ เจิ้ง ได้กล่าว การก้าวหน้านี้เกิดขึ้นพอดีกับการขยายตัวของอุตสาหกรรมไฮโดรเจนของจีน จนถึงสิ้นปี 2025 ความสามารถในการผลิตไฮโดรเจนของจีนจะมากกว่า 51 ล้านตันต่อปี

จีนยังมีส่วนแบ่ง 53% ของโครงการไฮโดรเจนที่ใช้การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าที่สามารถผลิตได้จากพลังงานหมุนเวียน

การขยายขนาดยังคงเป็นความท้าทายต่อการพัฒนาต่อไป จนถึงสิ้นปี 2025 จำนวนรถยนต์ที่ใช้เซลล์ไฟฟ้าจะประมาณ 32,000 คัน ในเดือนมีนาคม 2026 สามหน่วยงานของรัฐบาลกลางได้ตั้งเป้าที่จะให้มี 100,000 คันรถยนต์ที่ใช้เซลล์ไฟฟ้าจนถึงปี 2030 และผลักดันให้ราคาไฮโดรเจนลดลงเหลือ RMB¥25 (ประมาณ HK$28) ต่อกิโลกรัม เทคโนโลยีใหม่นี้ยังต้องมีการพิสูจน์ว่าสามารถผลิตในระดับอุตสาหกรรมได้อย่างมีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ ในขณะที่ยังคงความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือในระยะยาว “รถยนต์ที่ใช้เซลล์ไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องเลียนแบบรถยนต์ที่ใช้แบตเตอรี่ไฟฟ้า

รถยนต์ที่ใช้แบตเตอรี่ไฟฟ้ามีความเหมาะสมกับการเดินทางระยะสั้น ในขณะที่เซลล์ไฟฟ้ามีความเหมาะสมกับรถบรรทุกหนัก เดินทางระยะยาว และสถานการณ์ที่ต้องการการเติมพลังงานอย่างรวดเร็วและระยะทางการวิ่งที่ยาว หลี่ เจิ้ง ได้กล่าว “ต่อไป โครงการจะสร้างและทดสอบกองสแต็กเซลล์ไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับสถานการณ์ต่าง ๆ เรายังจะขยายวัสดุและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง และแปลงมันเป็นผลิตภัณฑ์ที่แท้จริง” ผลการวิจัยของทีมนี้ได้ถูกตีพิมพ์ในวารสาร “วิทยาศาสตร์”

ผลกระทบที่เป็นไปได้ของเซลล์ไฟฟ้าไฮโดรเจนใหม่

การพัฒนาที่เป็นที่น่าสนใจของเทคโนโลยีเซลล์ไฟฟ้าไฮโดรเจนใหม่ แสดงถึงศักยภาพในการเพิ่มพลังงานและประสิทธิภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านยานยนต์และอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ เมื่ออุตสาหกรรมไฮโดรเจนของจีนขยายตัวอย่างรวดเร็ว การใช้เทคโนโลยีนี้อย่างสำเร็จจะช่วยให้การใช้รถยนต์ที่ใช้เซลล์ไฟฟ้ามีการแพร่หลาย และอาจเปลี่ยนแปลงการใช้พลังงานในการขนส่งหนัก แต่การผลิตในระดับอุตสาหกรรมและการคงความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจยังคงเป็นความท้าทายสำหรับการพัฒนาต่อไป