Υδρογονοκίνηση: Νέα υλικά για fuel cells (κυψέλες υδρογόνου)

Καθώς τα ηλεκτροκίνητα οχήματα κυψελών υδρογόνου (Fuel Cell Electric Vehicles – FCEV) φαίνεται να έχουν το δικό τους μερίδιο στη νέα εποχή της αυτοκίνησης, το δικό τους δρόμο της εξέλιξης τραβούν και οι κυψέλες καυσίμου, μέσω και της υιοθέτησης νέων υλικών για το πιο ευαίσθητο τμήμα τους, τη μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων.

Οι καταλύτες, ως υλικά, είναι απαραίτητοι για τις κυψέλες καυσίμου με PEM (Proton Exchange Membrane: Μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων), καθώς χάρη σε αυτούς γίνεται δυνατό να πραγματοποιηθεί με αποτελεσματικό τρόπο η απαιτούμενη χημική αντίδραση σε θερμοκρασίες κάτω των 100°C, επιτρέποντας τις υδατικές συνθήκες που απαιτεί η PEM για τη μεταφορά πρωτονίων.

Θυμίζουμε στο σημείο αυτό ότι χάρη στη μεταφορά πρωτονίων έχουμε μια αντίδραση αντίστροφη της ηλεκτρόλυσης, με δημιουργία νερού που αποβάλλεται με τη μορφή υδρατμών, αλλά και την εμφάνιση ηλεκτρικού ρεύματος που είναι και το μέγα ζητούμενο. Συνήθως είναι o λευκόχρυσος (ή πλατίνα – Pt) και άλλα μέταλλα της ομάδας του λευκόχρυσου (PGM: το ιρίδιο [Ir], το παλλάδιο [Pd], το ρόδιο [Rh], το ρουθήνιο [Ru] και το όσμιο [Os]) που χρησιμοποιούνται ως καταλύτες. Ωστόσο, το υψηλό κόστος αυτών των πολύτιμων μετάλλων είναι ένας ανασταλτικός παράγων για τη μείωση του κόστους των συστοιχιών κυψελών καυσίμου (όπως και στις μπαταρίες έχουμε και εδώ συστοιχίες που δημιουργούν τελικά τη «συσκευή» που αποκαλούμε κυψέλη καυσίμου/υδρογόνου).

Και ενώ η ετήσια ζήτηση για τυπικά καταλυτικά υλικά, όπως τα PGM, αναμένεται να ξεπεράσει τους 3,5 τόνους έως το 2033 φαίνεται ότι διαμορφώνονται κάποιες τάσεις στον τομέα της κατασκευής των κυψελών. Δεδομένου λοιπόν του υψηλού κόστους των PGM, η αύξηση της καταλυτικής δραστηριότητας των μετάλλων θα μείωνε τον απαιτούμενο όγκο πολύτιμου μετάλλου. Αυτό μπορεί να γίνει με εναλλακτικά μέταλλα όπως το κράμα Pt3Ni ή τα νανοσωματίδια χρυσού (Au).

Οι κορυφαίοι προμηθευτές καταλυτών για κυψέλες καυσίμου προσφέρουν μια σειρά υλικών, από πλατίνα Pt έως οξείδιο του ιριδίου (IrO₂). Στο πλαίσιο της αναζήτησης εναλλακτικών υλικών αντί των PGM έχουν προταθεί ως πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση οι καταλύτες μετάλλου/αζώτου/άνθρακα (MNC). Αν και η ογκομετρική καταλυτική δράση τους είναι μόνο το 10% αυτής που παρατηρείται στην πλατίνα (Pt), η χρήση μεγαλύτερου αριθμού καταλυτών MNC έρχεται να αντισταθμίσει αυτό το έλλειμα λόγω του χαμηλότερου κόστους.

Σημειώστε ότι «αχίλλειος» πτέρνα των κυψελών καυσίμου είναι η ευαισθησία τους στην ποιότητα/καθαρότητα του υδρογόνου. Η μείωση της καταλυτικής «δηλητηρίασης» στην κυψέλη καυσίμου θα επέτρεπε τη χρήση λιγότερο πολύτιμου μετάλλου σε μια συστοιχία κυψελών. Η δηλητηρίαση προκύπτει όταν το μονοξείδιο του άνθρακα συνδέεται μόνιμα με τον καταλύτη της μεμβράνης της κυψέλης, μειώνοντας την επιθυμητή καταλυτική δραστηριότητα, μειώνοντας δηλαδή την ικανότητά του να προκαλεί κατάλυση – και σε τελική ανάλυση περιορίζοντας τη δυνατότητα της κυψέλης να παράγει ρεύμα. Σημειώνουμε ότι το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) είναι άκρως ανεπιθύμητο και περιέχεται στο υδρογόνο που παράγεται από αναμόρφωση υδρογονανθράκων με ατμό. Λύση σε αυτό το πρόβλημα μπορεί να δώσει η μαζική παραγωγή «πράσινου» υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης.