Будущее водородного топлива: разработка методики анализа стабильности водородных топливных элементов

Ученые из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее работают над способами повышения эффективности и стоимости водородных топливных элементов, чтобы расширить доступ к чистому топливу.

Водород позиционировался как ключевой игрок в гонке за обезуглероживаемым будущим, но, несмотря на его потенциал, путь к коммерциализации был медленным.

Существует несколько факторов, на которые ученые, в том числе профессор Чуань Чжао, доктор Квентин Мейер и мистер Шиян Лю из школы химии UNSW, пытаются обратить внимание, чтобы повысить коммерческую жизнеспособность водородных топливных элементов.

Существуют проблемы со стоимостью и ресурсами некоторых ключевых элементов, из которых состоит водородный топливный элемент, включая платину, материал, обычно используемый в качестве катализатора, необходимого для активации процесса. Создание альтернатив платиновым катализаторам имеет важное значение.

“Платина всегда будет дорогой, потому что ее не так уж много на рынке”, – говорит профессор. Чжао. “Итак, нам нужно изучить альтернативы, а также обеспечить быстрый и простой способ измерить, насколько хорошо эти новые материалы работают в водородных топливных элементах”.

В исследовании, опубликованном в журнале Energy & Environmental Science, проф. Команда Чжао разработала новый процесс для проверки долговечности и стабильности платиновых альтернатив, который позволит по-новому взглянуть на экономичные варианты водородных топливных элементов.
Корпус для водородных топливных элементов

Водородные топливные элементы, которые были разработаны в качестве экологически чистого источника энергии в 19 веке, используют химические реакции для расщепления водорода на протоны и электроны, производя электричество и воду.

“По сути, у вас есть две стороны — анод и катод. Вы помещаете водород с одной стороны (анод) и кислород с другой (катод), а также катализаторы, которые запускают эти две реакции”, – говорит доктор Мейер. “Одна реакция заключается в расщеплении водорода на протоны и электроны, а затем другая сторона окисляет кислород. Протоны и электроны вступают в реакцию с кислородом на катоде, образуя воду и электричество.”

Ключевое различие между технологией водородных топливных элементов и батареями заключается в том, что вам не нужно заряжать водородные топливные элементы. Вместо бензонасоса у вас просто есть водородный насос, и заправка автомобиля на водородных топливных элементах занимает всего три минуты.

Этот процесс не только считается чистым источником энергии, поскольку в качестве побочного продукта образуется только вода, но и является устойчивым. Водород сам по себе является очень распространенным элементом, и хотя он не встречается в природе, его можно извлечь из воды.
Проблема стоимости

“Мы сталкиваемся с проблемой типа “курица или яйцо”, когда у нас недостаточно перерабатываемого водорода или мест для его использования после его извлечения”, – говорит профессор. Чжао. “Итак, по мере того, как мы начнем производить больше водорода и топливных элементов, и то, и другое станет дешевле”.

Другой ключевой проблемой является стоимость катализатора. Платина, которая образует необходимый средний слой топливного элемента, стоит где-то от 45 000 до 100 000 австралийских долларов за килограмм.

“Один из подходов заключается в использовании альтернатив платине, таких как железо, стоимость которого составляет всего около 0,1 австралийских долларов за килограмм, – говорит г-н Лю. – Особенно перспективным материалом является железо-азот-углерод, также известный как Fe-N-C.”

Однако эти новые альтернативы платине в настоящее время не являются широко доступными, поскольку они не так стабильны, как платина, и быстрее разлагаются в водородных топливных элементах. “В то время как топливные элементы на основе платины могут работать до 40 000 часов (около четырех с половиной лет), материалы железо-азот-углерод могут работать только до 300 часов (около двух недель), в лучшем случае”, – говорит доктор Мейер.

Прогресс в этой области был медленным, поскольку поиск альтернатив и проверка их долговечности – длительный и дорогостоящий процесс. “Например, создание нового катализатора для водородных топливных элементов может занять до года, а затем еще больше времени, чтобы точно понять, что происходит, используя дорогостоящее оборудование, к которому трудно получить доступ”, – говорит доктор Мейер.

Разработка методов анализа стабильности

Для проф. Чжао, доктор Мейер и их команда решили решить существующие проблемы в этой области, разработав метод, позволяющий понять, почему некоторые каталитические материалы не так стабильны, как платина.

“Используя три новых метода, которые мы протестировали в лаборатории, мы можем быстро выяснить, насколько стабилен наш топливный элемент, не содержащий платины, и, самое главное, понять почему. Этот подход может быть легко применен учеными в других лабораториях для получения быстрой и точной информации об эффективности их топливных элементов и катализаторов”, – говорит профессор. Чжао.

Используя эти методы, команда обнаружила, что до 75% активных центров на основе железа (конкретных мест, где происходят реакции) становятся неактивными в течение первых 10 часов работы топливного элемента из-за потери активных центров железа. Затем за этим следует углеродная коррозия, которая становится преобладающим механизмом деградации.

“Это особенно важно, поскольку мы можем точно определить, что происходит и когда это происходит. Если мы разработаем материал с более стабильными активными центрами, мы должны увидеть более медленный распад в течение первых 10 часов, в то время как углеродная коррозия может иметь аналогичную тенденцию”, – говорит доктор Мейер.

“Позволяя точно отслеживать механизмы деградации, мы ожидаем, что исследовательская область сможет создавать новые материалы, нацеленные на решение этих проблем стабильности. В результате мы считаем, что наш подход поможет улучшить стабильность катализаторов, не содержащих платины, и обеспечит этой области светлое будущее”.

Следующие шаги

Хотя это важный шаг в области водородных топливных элементов, проф. Чжао, доктор Мейер и их команда нацелены на достижение следующей цели.

“Мы разрабатываем катализатор, в котором мы комбинируем различные металлы, чтобы повысить стабильность катализаторов”, – говорит проф. Чжао. “Используя процесс, который мы разработали здесь, мы можем быстро и достоверно оценить стабильность этих недорогих неплатиновых катализаторов. Это дает нам некоторые захватывающие результаты в понимании того, что происходит “.

Команда также сосредоточена на способах повышения масштабируемости недорогого катализатора для водородных топливных элементов, не содержащего платины, от лабораторного до продукта, который можно было бы использовать для питания реальных устройств и, в один прекрасный день, для транспорта на наших дорогах.