Yakıt hücreleri uzun zamandır umut verici bir güç kaynağı olarak görülmüştür. 1830’larda icat edilen bu cihazlar, doğrudan hidrojen ve oksijen gibi kimyasallardan elektrik üretir. Emisyon olarak sadece su buharı üretir.
Çoğu yakıt hücresi çok pahalı ve verimsizdir. Yeni bir yaklaşımda, biyolojiden ilham alan Wisconsin-Madison Üniversitesi’nden bir ekip, daha ucuz materyaller ile elektronları ve protonları bir araya getiren bir organik bileşik kullanarak bir yakıt hücresi tasarladı. Geleneksel bir yakıt hücresinde, elektrondan ve hidrojenden gelen protonlar, bir elektrottan diğerine nakledilir. Burada su üretmek için oksijen ile birleştirilir. Bu süreç kimyasal enerjiyi elektriğe dönüştürür. Yeterince kısa bir sürede anlamlı miktarda şarj üretmek için reaksiyonları hızlandırmada bir katalizöre ihtiyaç vardır. Şu anda piyasadaki en iyi ve en yüksek fiyata sahip olan katalizör Platin’dir. Bu durum, yakıt hücrelerini pahalı hale getiriyor.
Çalışmayı kimya ve biyoloji mühendisliği profesörü Thatcher Root ile birlikte yürüten UW-Madison kimya profesörü Shannon Stahl, mevcut yakıt hücrelerinde katalizör olarak daha az pahalı metallerin kullanılabileceğini söylüyor. “Sorun, bir elektrota çok fazla katalizör eklediğinizde, malzemenin daha az etkili hale gelmesidir. Yani enerji verimliliği kaybına yol açar.”
Ekibin çözümü, büyük miktarda malzemenin performansına müdahale etmeyen yakındaki bir reaktöre, daha düşük maliyetli bir metal olan kobaltı taşımaktı. Ekip daha sonra elektronları ve protonları bu reaktörden yakıt hücresine ileri ve geri hareket ettirmek için bir strateji tasarladı.
Doğru aracın, tek seferde iki elektron ve proton taşıyabilen, kinon olarak adlandırılan; kinik asidin oksidasyonundan elde edilen organik bir bileşiğin (C6H4O2) olduğu kanıtladı. Takımın tasarımında, bir kinon yakıt hücresi elektrotundan bu parçacıkları alır, onları ucuz bir kobalt katalizörü ile doldurulmuş yakındaki reaktöre taşır ve daha fazla “yolcu” almak için yakıt hücresine geri döner.
Birçok kinon sadece birkaç kez gidip geldikten sonra katran benzeri bir maddeye dönüşür. Ancak Stahl’in laboratuvarı ultra kararlı bir kinon türevi tasarladı. Ekibi, kinonun yapısını değiştirerek bozulmasını büyük ölçüde yavaşlattı. Aslında, bir araya getirdikleri bileşikler 5000 saate kadar dayanabiliyor. Önceki kinonun yapılarına kıyasla ömrü 100 kattan fazla bir artış göstermiştir.
Stahl, “Son çözüm bu olmasa da, konseptimiz bu alandaki problemleri çözmek için yeni bir yaklaşım getiriyor.” Yeni tasarımın enerji üretiminin, şu anda piyasada bulunan hidrojen yakıt hücrelerinde mümkün olanın yaklaşık yüzde 20’sini oluşturduğuna dikkat çekiyor. Öte yandan sistem, ilgili organik servisleri kullanan biyoyakıt hücrelerinden yaklaşık 100 kat daha etkilidir.
Stahl ve ekibinin bir sonraki adımı, kinon araçlarının performansını arttırmak, elektronları daha etkili bir şekilde hareket ettirmek ve daha fazla güç üretmektir. Bu yeni tasarımlar, geleneksel yakıt hücrelerinin performansına, daha düşük fiyatlı bir şekilde ulaşmasına izin verecektir.
Stahl Laboratuarının doktora sonrası araştırmacısı Colin Anson, “Bu projenin asıl hedefi, elektrik üretmek için endüstride karbon içermeyen seçenekler sunmak. Amaç, endüstrinin neye ihtiyacı olduğunu bulmak ve o boşluğu dolduracak yeni bir yakıt hücresi yaratmaktır.”