Çin’de yürütülen bir araştırma kapsamında geliştirilen yeni proton değişim membranlı yakıt hücresi, standart çalışma koşullarında 0,7 volt gerilim altında 0,75 watt/cm² güç yoğunluğuna ulaşmayı başardı. Bu değer, halihazırda kullanılan geleneksel tasarımların sağladığı gücün yaklaşık dört katına karşılık geliyor. Hidrojen temelli enerji sistemlerinin özellikle ağır taşıtlar ile uzun menzil gerektiren araçlarda ve havacılık uygulamalarında daha küçük ve hafif bir yapıyla devreye alınabilmesinin önünü açabilecek nitelikte görülüyor.
Bu geliştirme, Pekin Teknoloji Enstitüsü bünyesinde görev yapan araştırmacılar tarafından yürütülen bir çalışma sonucunda ortaya çıktı. Ekip, hidrojen yakıt hücrelerinde uzun süredir çözüm bekleyen ve sistem verimliliğini aşağı çeken bir darboğaza odaklandı: protonların katalizör tabakası içindeki hareketinin yavaş kalması. Bu sorunu aşmak amacıyla reaksiyon bölgelerine protonların daha hızlı ulaşmasını sağlayacak yeni bir malzeme arayüzü tasarlandı.
Araştırmanın ortak yazarlarından ve aynı kurumda yardımcı doçent olarak görev yapan Li Jie, geliştirilen teknolojinin yakıt hücreli araçlarda kullanılan güç yığınının daha küçük ve hafif hale getirilmesine imkân tanıyacağını, bunun yanı sıra daha yüksek sürekli güç çıkışı ve daha uzun menzil sağlayabileceğini belirtti.
PEM yakıt hücrelerinin çalışma prensibi, hidrojenin anot bölümünde proton ve elektronlara ayrışmasına dayanıyor. Protonlar elektrolit membranı üzerinden katoda doğru ilerlerken elektronlar harici bir devreden geçerek elektrik üretimini mümkün kılıyor; katot bölümünde ise protonlar ve elektronlar oksijenle birleşerek su oluşturuyor. Bu döngüde performansı sınırlayan en kritik noktalardan biri katalizör tabakası olarak öne çıkıyor. Nafion gibi geleneksel malzemeler, nano ölçekteki katalizörleri yoğun biçimde çevreleyerek protonların reaksiyon bölgelerine ulaşmasını zorlaştırabiliyor. Enstitü ekibi, bu engeli aşmak için Brønsted asit-Lewis baz arayüzü adı verilen bir yapı geliştirdi. Bu yapı, proton transferi için ek bölgeler oluşturarak protonların hücre içerisindeki hareketini kolaylaştırıyor.
Deney süreçlerinde yeni malzemenin proton difüzyon hızını 10 kat, proton iletkenliğini ise 6,5 kat artırdığı gözlemlendi. Protonların hareketi için gereken aktivasyon enerjisinin yarıdan fazla azaltıldığı da tespit edildi. Elde edilen bu iyileşmeler, yakıt hücresinin genel güç üretim kapasitesine doğrudan yansıdı. Yeni tasarım, standart çalışma koşullarında 0,7 volt gerilimde 0,75 watt/cm² güç yoğunluğuna ulaşarak geleneksel muadillerinin yaklaşık dört katı bir performans sergiledi.
Sistem, platin kullanımının verimliliği açısından da dikkat çekici sonuçlar ortaya koydu. Yeni yakıt hücresinde her bir gram platin karşılığında 6,9 kW güç elde edilebiliyor; bu tablo, söz konusu pahalı katalizörün çok daha tutumlu biçimde değerlendirilebileceğini gösteriyor. Platin maliyetinin yakıt hücresi üretimindeki toplam giderler içinde önemli bir yer tuttuğu düşünüldüğünde, verimlilikteki bu artışın ticari ölçekli üretim açısından maliyet baskısını hafifletebileceği öngörülüyor.
Dayanıklılık testleri de yeni tasarımın sağladığı avantajları somut biçimde ortaya koydu. Hızlandırılmış stres testi kapsamında gerçekleştirilen 30.000 çevrimin ardından yeni sistem, başlangıçtaki maksimum gücünün yüzde 63’ünü korumayı başardı. Aynı koşullar altında geleneksel sistemlerde bu oran yalnızca yüzde 30 seviyesinde kaldı. Uzun ömürlülük, yakıt hücresi teknolojilerinin ticari olarak yaygınlaşmasının önündeki en büyük engellerden biri olarak görülüyor; zira otomotiv ve havacılık gibi sektörlerde kullanılacak bir güç kaynağının yalnızca yüksek performans sunması değil, bu performansı uzun süre boyunca istikrarlı biçimde sürdürebilmesi gerekiyor. Yeni tasarımın bu iki kriteri aynı anda karşılamaya yaklaşması, araştırmanın hidrojen ekonomisi hedefleri doğrultusunda attığı adımlar arasında ayrı bir yere oturmasını sağlıyor.
Hidrojen yakıt hücreleri, yalnızca su buharı açığa çıkardıkları için karbon emisyonu üretmeyen bir enerji dönüşüm yöntemi olarak değerlendiriliyor. Ancak bu teknolojinin yaygınlaşmasının önünde güç yoğunluğunun düşük kalması, sistemlerin ağır ve hacimli olması, platin gibi maliyetli malzemelere bağımlılık ve uzun vadeli dayanıklılık sorunları gibi birden fazla engel bulunuyor. Pekin Teknoloji Enstitüsü ekibinin geliştirdiği tasarımın bu engellerin önemli bir bölümüne aynı anda çözüm üretmesi, çalışmayı hidrojen temelli ulaşım ve havacılık uygulamaları açısından dikkatle izlenmesi gereken bir noktaya taşıyor.
Araştırma kapsamında geliştirilen kompozit malzeme yapısının, laboratuvar ölçeğinde elde edilen bu sonuçların endüstriyel üretime taşınması halinde yakıt hücresi sistemlerinin ağırlığını ve hacmini önemli ölçüde azaltabileceği ifade ediliyor. Daha küçük ve hafif güç yığınları, özellikle uzun mesafe kat etmesi gereken kamyonlar, otobüsler ve deniz araçları ile havacılık sektöründe kullanılan platformlarda hidrojen yakıt hücrelerinin uygulanabilirliğini artırabilecek bir etken olarak öne çıkıyor. Mevcut durumda bu araç sınıflarında hidrojen sistemlerinin devreye alınmasını sınırlayan temel faktörler arasında güç yığınının kapladığı alan ve taşıdığı ağırlık yer alıyor. Proton iletkenliğindeki 6,5 katlık artış ile difüzyon hızındaki 10 katlık iyileşme, aynı hacimde daha fazla güç üretilmesine olanak tanıyarak bu kısıtı hafifletiyor.
Araştırma ekibinin geliştirdiği Brønsted asit-Lewis baz arayüzünün, mevcut üretim hatlarına uyarlanabilir bir malzeme mühendisliği yaklaşımı sunduğu belirtiliyor. Bu tür arayüz tasarımlarının yalnızca PEM yakıt hücrelerinde değil, benzer proton transfer mekanizmalarına dayanan diğer elektrokimyasal sistemlerde de uygulama alanı bulabileceği değerlendiriliyor. Böylece çalışmanın etkisi, hidrojen yakıt hücrelerinin ötesine geçerek elektrokimyasal enerji dönüşümü alanının geneline yayılabilecek bir potansiyel taşıyor.
