Про один із найбільш багатообіцяючих альтернативних джерел енергії, водневому гібридному автомобілі Toyota Mirai та захисту навколишнього середовища
Паливні елементи являють собою спосіб електрохімічного перетворення енергії водневого палива в електрику, і єдиним побічним продуктом цього процесу є вода.
Водневе паливо, що використовується зараз в паливних елементах, зазвичай виходить з парового риформінгу метану (тобто перетворення вуглеводнів за допомогою пари і тепла в метан), хоча підхід може бути і більш «зеленим», наприклад електроліз води з використанням сонячної енергії.
Основними компонентами паливного елемента є:
- анод, в якому відбувається окислення водню;
- катод, де йде відновлення кисню;
- полімерна електролітна мембрана, через яку здійснюється транспорт протонів або гідроксид-іонів (в залежності від середовища), - вона не пропускає водень і кисень;
- поля течії кисню і водню, які відповідальні за доставку цих газів до електрода.
Для того щоб живити енергією, наприклад, автомобіль, кілька паливних елементів збираються в батарею, і кількість енергії, що поставляється цією батареєю, залежить від загальної площі електродів і кількості елементів в ній. Енергія в паливному елементі генерується в такий спосіб: водень окислюється на аноді, і електрони від нього направляються до катода, де відновлюється кисень. Електрони, отримані від окислення водню на аноді, мають більш високий хімічний потенціал, ніж електрони, які відновлюють кисень на катоді. Ця різниця між хімічними потенціалами електронів дозволяє отримувати енергію з паливних елементів.
Історія створення
Дослідження в області паливних елементів тривали, і в 1930-х роках Ф.Т. Бейкон вніс новий компонент в лужному паливний елемент (один з видів паливних елементів) - іонообмінну мембрану для полегшення транспорту гідроксид-іонів.
Одним з найбільш знаменитих історичних прикладів застосування лужних паливних елементів є їх використання в якості головного джерела енергії під час космічних польотів в програмі «Аполлон».
Вибір НАСА упав на них з-за їх довговічності і технічної стійкості. У них використовувалася гідроксідпроводящая мембрана, що перевершує по ефективності свою протонообмінні сестру.
Протягом майже двох століть з моменту створення першого прототипу паливного елемента було виконано багато роботи щодо їх удосконалення. В цілому кінцева енергія, що отримується від паливного елемента, знаходиться в залежності від кінетики окислювально-відновної реакції, внутрішнього опору елемента і перенесення мас реагують газів і іонів на каталітично активні компоненти. За багато років було зроблено багато поліпшень початкової ідеї, таких як:
1) заміна платинових дротів на електроди на основі вуглецю з наночастинками платини; 2) винахід мембран високої провідності і селективності, таких як Nafion, для полегшення іонного транспорту; 3) поєднання каталітичного шару, наприклад наночастинок платини, розподілених по вуглецевій основі, з іонообмінними мембранами, в результаті чого вийшов мембранно-електродний блок з мінімальним внутрішнім опором; 4) використання і оптимізація полів течії для доставки водню і кисню на каталітичну поверхню, замість того щоб безпосередньо розбавляти їх в розчині.
Ці та інші поліпшення в кінцевому підсумку дозволили отримати технологію, досить ефективну, щоб її можна було використовувати в автомобілях, таких як Toyota Mirai.
Паливні елементи з гідроксідобменнимі мембранами
В Університеті Делавера проводяться дослідження з розробки паливних елементів з гідроксідобменнимі мембранами - HEMFCs (hydroxide exchange membrane fuel cells). Паливні елементи з гідроксідобменнимі мембранами замість протонообмінні - PEMFCs (proton exchange membrane fuel cells) - менше стикаються з однією з великих проблем PEMFCs - проблемою стабільності каталізатора, оскільки набагато більшу кількість каталізаторів на основі неблагородних металів стабільно в лужному середовищі, ніж в кислому. Стабільність каталізаторів в лужних розчинах вище завдяки тому, що розчинення металів виділяє більше енергії при низькому pH, ніж при високому. Велика частина роботи в цій лабораторії також присвячена розробці нових анодних і катодних каталізаторів реакцій окиснення водню і відновлення кисню для ще більш ефективного їх прискорення. На додаток до цього лабораторією розробляються нові гідроксідобменние мембрани, так як провідність і довговічність таких мембран ще належить поліпшити, для того щоб вони могли скласти конкуренцію протонообмінні.
Пошук нових каталізаторів
Причина втрат від перенапруги в реакції відновлення кисню пояснюється відносинами лінійного масштабу між проміжними продуктами цієї реакції. У традиційному четирехелектронном механізмі цієї реакції кисень послідовно відновлюється, створюючи проміжні продукти - OOH *, O * і OH *, щоб в кінцевому підсумку утворити воду (H2O) на каталітичної поверхні. Оскільки енергії адсорбції проміжних продуктів у окремого каталізатора сильно корелюють один з одним, поки ще не знайдено жодного каталізатора, який хоча б у теорії не мав би втрат від перенапруги. Незважаючи на те, що швидкість цієї реакції низька, заміна кислотного середовища на лужну, як, наприклад, в HEMFC, на неї не особливо впливає. Однак швидкість реакції окислення водню зменшується майже в два рази, і цей факт мотивує дослідження, спрямовані на знаходження причини цього зменшення і на виявлення нових каталізаторів.
Переваги паливних елементів
На противагу вуглеводневому паливу паливні елементи більш, якщо не зовсім, безпечні для навколишнього середовища і не виробляють парникових газів в результаті своєї діяльності. Більш того, їх паливо (водень) в принципі є поновлюваним, оскільки його можна отримати шляхом гідролізу води. Таким чином, водневі паливні елементи в майбутньому обіцяють стати повноправною частиною процесу виробництва енергії, в якому енергія сонця і вітру використовується для виробництва водневого палива, яке потім використовується в паливному елементі для виробництва води. Таким чином, цикл замикається, і не залишається ніякого вуглецевого сліду.
На відміну від батарей, що перезаряджаються, паливні елементи мають ту перевагу, що їх не треба перезаряджати - вони можуть відразу почати поставляти енергію, як тільки вона знадобиться. Тобто якщо їх застосовувати, наприклад, в області засобів пересування, то з боку споживача змін майже не буде. На відміну ж від сонячної енергії та енергії вітру паливні елементи можуть виробляти енергію постійно і куди менше залежать від зовнішніх умов. У свою чергу, геотермальна енергія доступна тільки в певних географічних областях, в той час як паливні елементи знову ж таки не мають такої проблеми.
Водневі паливні елементи - одні з найбільш багатообіцяючих альтернативних джерел енергії завдяки своїй портативності і гнучкості в плані масштабу.
Складність зберігання водню
Крім проблем з недоліками нинішніх мембран і каталізаторів, інші технічні труднощі для паливних елементів пов'язані зі зберіганням і транспортом водневого палива. Водень володіє дуже низькою питомою енергією на одиницю об'єму (кількістю енергії, яка міститься в одиниці об'єму при даній температурі і тиску), і тому він повинен зберігатися під дуже високим тиском, щоб його можна було використовувати в засобах пересування. В іншому випадку розмір контейнера для зберігання необхідної кількості палива буде неможливо великим. Через ці обмежень зберігання водню робилися спроби знайти способи отримання водню з чогось крім газоподібної його форми, як, наприклад, в металогідридних паливних елементах. Проте нинішні споживчі застосування паливних елементів, такі як Toyota Mirai, використовують сверхкритический водень (водень, що знаходиться в умовах температури вище 33 К і тиску вище 13,3 атмосфер, тобто вище критичних значень), і зараз це найбільш зручний варіант.
перспективи області
Через існуючих технічних труднощів і проблем отримання водню з води за допомогою сонячної енергії в найближчому майбутньому дослідження, швидше за все, будуть націлені в основному на пошук альтернативних джерел водню. Одна популярна ідея полягає в тому, щоб використовувати аміак (нітрид водню) безпосередньо в паливному елементі замість водню або щоб отримувати водень з аміаку. Причина цього - менша вимогливість аміаку за частиною тиску, що робить його більш зручним для зберігання та переміщення. Крім того, аміак привабливий як джерело водню тому, що в ньому немає вуглецю. Завдяки цьому вирішується проблема отруєння каталізатора через деякої кількості СО в водні, зробленому з метану.
В майбутньому паливні елементи можуть знайти широке застосування в області технологій засобів пересування і розподіленого виробництва енергії, наприклад, в житлових районах. Незважаючи на те, що в даний момент використання паливних елементів в якості головного джерела енергії вимагає великих грошових коштів, в разі виявлення дешевших і ефективних каталізаторів, стабільних мембран з високою провідністю і альтернативних джерел водню водневі паливні елементи можуть придбати високу економічну привабливість.