Топливные элементы для водородных автомобилей

Топливные элементы для водородных автомобилей становятся более долговечными.Топливные элементы приобретают все большее значение в качестве альтернативы электромобилям с батарейным питанием в условиях интенсивного движения, тем более что водород представляет собой CO 2.-нейтральный энергоноситель, если он получен из возобновляемых источников.

Для эффективной работы топливным элементам необходим электрокатализатор, улучшающий электрохимическую реакцию, в которой вырабатывается электричество. Катализаторы с наночастицами платины и кобальта, используемые сегодня в качестве стандартных, обладают хорошими каталитическими свойствами и требуют минимального количества редкой и дорогой платины.

Чтобы катализатор можно было использовать в топливном элементе, он должен иметь поверхность с очень маленькими частицами платины-кобальта в нанометровом диапазоне, которые наносятся на проводящий углеродный материал-носитель. Поскольку мелкие частицы, а также углерод в топливном элементе подвергаются коррозии, элемент со временем теряет эффективность и стабильность.

Международная группа профессора Маттиаса Аренца

Международная группа под руководством профессора Маттиаса Аренца с факультета химии и биохимии (DCB) Бернского университета теперь смогла использовать специальный процесс для производства электрокатализатора без углеродного носителя, который, в отличие от существующих катализаторов, состоит из тонкого металлическая сеть и поэтому более прочная.

«Разработанный нами катализатор обеспечивает высокую производительность и обещает стабильную работу топливных элементов даже при более высоких температурах и высокой плотности тока», — говорит Маттиас Аренц. Результаты опубликованы в Nature Materials. Исследование является результатом международного сотрудничества между DCB и, в частности, Копенгагенским университетом и Институтом плазменных исследований и технологий им. Лейбница, который также использовал инфраструктуру швейцарских источников света (SLS) в Институте Пола Шеррера.

Топливные элементы — прямое производство энергии без сжигания

В водородном топливном элементе атомы водорода расщепляются для выработки электроэнергии непосредственно из них. Для этого водород подается на электрод, где он расщепляется на положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны. Электроны уходят через электрод и генерируют электрический ток вне элемента, который, например, приводит в действие двигатель транспортного средства.

Протоны проходят через мембрану, которая проницаема только для протонов, и реагируют на другой стороне второго электрода, покрытого катализатором (в данном случае из сетки из платино-кобальтового сплава) с кислородом из воздуха, образуя водяной пар. Он выводится через «выхлоп».

Важная роль электрокатализатора

Чтобы топливный элемент вырабатывал электричество, оба электрода должны быть покрыты катализатором. Без катализатора химические реакции протекали бы очень медленно. В частности, это относится ко второму электроду, кислородному электроду. Однако наночастицы катализатора из платины и кобальта могут «плавиться вместе» во время работы в транспортном средстве. Это уменьшает поверхность катализатора и, следовательно, эффективность ячейки.

Кроме того, углерод, обычно используемый для фиксации катализатора, может подвергаться коррозии при использовании в дорожном движении. Это влияет на срок службы топливного элемента и, следовательно, автомобиля. «Поэтому нашей мотивацией было создать электрокатализатор без углеродного носителя, который, тем не менее, является мощным», — объясняет Маттиас Аренц. Ранее подобные катализаторы без материала носителя всегда имели только уменьшенную площадь поверхности.

Промышленно применимая технология

Исследователи смогли воплотить идею в жизнь благодаря особому процессу, называемому катодным распылением. С помощью этого метода отдельные частицы материала (здесь платина или кобальт) растворяются (распыляются) путем бомбардировки ионами. Освободившиеся газовые атомы затем конденсируются в виде клеевого слоя.

«С помощью специального процесса распыления и последующей обработки можно получить очень пористую структуру, которая придает катализатору большую площадь поверхности и в то же время является самоподдерживающейся. Следовательно, углеродный носитель излишен», — говорит д-р Густав Сиверс, ведущий автор исследования из Института плазмы и технологий им. Лейбница.

«Эта технология масштабируется в промышленном масштабе и поэтому может также использоваться для больших объемов производства, например, в автомобильной промышленности», — говорит Маттиас Аренц. Этот процесс позволяет еще больше оптимизировать водородный топливный элемент для использования в дорожном движении. «Наши выводы, следовательно, важны для дальнейшего развития устойчивого использования энергии, особенно с учетом текущих событий в секторе мобильности для грузовых автомобилей», — говорит Аренц.

По материалам: sciencedaily.com

Читайте также:
Рынок производства водорода следует устойчивой кривой роста
Водород: история и использование
Toshiba для обеспечения тепла и электричества