Gdzieś pomiędzy atomami katalizatora, wodą i polimerową membraną potrafi kryć się problem decydujący o tym, jak duże, ciężkie i drogie musi być całe urządzenie. Chińscy naukowcy właśnie zabrali się za jeden z takich problemów i wynik ich pracy wygląda na tyle dobrze, że trudno przejść obok niego obojętnie.
Proton miał przejść dalej, ale droga była zakorkowana
Mowa o ogniwach PEM, czyli ogniwach paliwowych z membraną wymiany protonów. W ich przypadku wodór trafia na anodę, gdzie zostaje rozdzielony na protony i elektrony. Elektrony płyną zewnętrznym obwodem i właśnie ten ruch wykorzystujemy jako prąd elektryczny, podczas gdy protony muszą przedostać się przez wnętrze ogniwa. Na końcu wszystko spotyka się ponownie z tlenem i w efekcie powstaje woda. Na poziomie nanometrów zaczynają się jednak schody.
Czytaj też: Australijczycy śpią na ogromnym źródle czystej energii. Odczyty to potwierdziły
Warstwa katalityczna wykorzystująca m.in. Nafion może utrudniać szybkie docieranie protonów do miejsc reakcji. Innymi słowy, mamy paliwo, katalizator i całą działającą maszynę, ale część “ruchu” korkuje się tam, gdzie zależy nam na możliwie szybkim przepływie. Dlatego też zespół z Beijing Institute of Technology zamiast przebudowywać całe ogniwo, stworzył w tej warstwie coś, co można porównać do protonowej autostrady.
Naukowcy połączyli Nafion z organicznymi strukturami otwartymi i utworzyli interfejsy kwasu Brønsteda z zasadą Lewisa. Tak oto powstały dodatkowe, niskoenergetyczne ścieżki przekazywania protonów, które ułatwiają im kolejne “przeskoki”. Współczynnik samodyfuzji protonów wzrósł około dziesięciokrotnie, przewodnictwo protonowe 6,5-krotnie, a energia aktywacji spadła o 55 procent.
Cztery razy więcej mocy brzmi świetnie. Tylko co właściwie oznacza?
Nowe ogniwo osiągnęło przy napięciu 0,7 V gęstość mocy 0,75 W/cm², co w konfiguracji porównawczej badaczy oznaczało około czterokrotny wzrost znamionowej mocy względem rozwiązania bazowego. Jednocześnie badacze uzyskali 6,9 kW na każdy gram wykorzystanej platyny. Nie oznacza to więc, że jutro samochód wodorowy przejedzie cztery razy dalej na kilogramie paliwa. Nie oznacza też czterokrotnego wzrostu sprawności przemiany energii wodoru w prąd. Chodzi przede wszystkim o to, że z określonej powierzchni stosu i określonej ilości cennego katalizatora można wycisnąć znacznie więcej mocy.
Czytaj też: Akumulatory mają w sobie cichego sabotażystę. Badacze pokazali skalę marnotrawstwa
Takie rozróżnienie jest kluczowe, bo jeśli wynik uda się przenieść z laboratorium do seryjnych stosów, to układ o zadanej mocy może stać się mniejszy i lżejszy. W ciężarówce oznaczałoby to więcej przestrzeni i masy dostępnej dla ładunku, a w lotnictwie każdy kilogram oszczędzony na układzie napędowym jest jeszcze cenniejszy. Nieprzypadkowo wodorowe lotnictwo już dziś walczy przede wszystkim z masą i objętością całego systemu.
Platyna jest drugim elementem tego równania. Pisałem już o próbach wyrzucenia jej z ogniw paliwowych, bo cena tego metalu od dawna ciąży nad ekonomią całej technologii. Tym razem badacze nie pozbyli się platyny, ale próbują wykorzystać każdy jej gram znacznie efektywniej, a to może być równie ważne jak znalezienie tańszego katalizatora.
Laboratorium wygrało pierwszą rundę. Przemysł dopiero wchodzi na ring
Na korzyść projektu przemawiają również testy trwałości. Po 30000 przyspieszonych cykli nowy układ zachował 63 procent początkowej mocy szczytowej, podczas gdy wariant referencyjny tylko 30 procent. Wynik jest więc zdecydowanie lepszy, ale jednocześnie sam spadek do 63 procent przypomina, dlaczego nie nazwałbym jeszcze tej technologii gotową na masowe wdrożenie. Zwłaszcza że taki przyspieszony test laboratoryjny nie zastępuje lat pracy w ciężarówce, samolocie czy instalacji energetycznej.
Czytaj też: Sztuczna inteligencja przejęła kontrolę nad plazmą. Ludzkość może spać spokojnie
Ciekawie wygląda za to sama produkcja materiału. Jie Li twierdzi, że obecnie w laboratorium można wytworzyć około 100 gramów w trzy dni, a taka ilość ma wystarczyć do przygotowania dziesięciu stosów klasy 100 kW. To już brzmi bardziej jak technologia próbująca wyjść poza mikroskopijną próbkę, choć do przemysłowej produkcji nadal pozostaje ogromny krok. Chiny mają dobry powód, aby ten krok wykonać. W marcu 2026 roku trzy państwowe instytucje wyznaczyły cel dojścia do nawet 100000 pojazdów na ogniwa paliwowe do 2030 roku. Średnia końcowa cena wodoru w programach pilotażowych ma spaść poniżej 25 juanów za kilogram, czyli obecnie około 14 zł, a w najbardziej sprzyjających regionach nawet do 15 juanów, czyli około 8,36 zł.
Ogniwo przyszłości potrzebuje usunięcia kolejnych wąskich gardeł
Ten projekt nie próbuje udowodnić, że za pięć lat wszyscy porzucimy akumulatory i będziemy tankować wodór na każdym rogu. Rozwiązuje problem tego, że proton poruszał się zbyt wolno, więc naukowcy przygotowali mu lepszą drogę. Jeśli podobne postępy połączą się z tańszą produkcją wodoru, mniejszym zużyciem platyny, lepszym przechowywaniem paliwa i rozwojem infrastruktury, to wizje sprzed dekad mogą wreszcie zacząć przypominać normalną technologię użytkową. Nie wszędzie i nie zamiast akumulatorów. Być może przede wszystkim tam, gdzie liczy się duża moc, mała masa stosu, długi czas pracy i szybkie uzupełnienie energii.
