Naukowcy z UNSW opracowują analizę stabilności wodorowych ogniw paliwowych

Naukowcy z University of New South Wales w Sydney pracują nad sposobami poprawy wydajności i kosztów wodorowych ogniw paliwowych, aby zwiększyć dostęp do czystych paliw.

Wodór został umieszczony jako kluczowy gracz w wyścigu ku przyszłości neutralnej pod względem emisji dwutlenku węgla, ale pomimo jego potencjału, droga do komercjalizacji była powolna.

Istnieje wiele czynników, na które naukowcy – m.in Profesor Chuan ZhaoI dr Quentina Meyera i pan Xiang Liu z Szkoła Chemii University of New South Wales – próbuje zająć się zwiększeniem komercyjnej opłacalności wodorowych ogniw paliwowych.

Istnieją problemy związane z kosztami i zasobami w przypadku niektórych podstawowych elementów składających się na wodorowe ogniwa paliwowe, w tym platyny, materiału powszechnie używanego jako katalizator potrzebny do zasilania procesu. Niezbędne jest tworzenie alternatyw dla katalizatorów platynowych.

„Platyna zawsze będzie bardzo droga, ponieważ nie ma jej zbyt wiele” — mówi profesor Zhao. „Dlatego musimy zbadać alternatywy, zapewniając jednocześnie szybki i łatwy sposób pomiaru, jak dobrze te nowe materiały działają w wodorowych ogniwach paliwowych”.

W nowym badaniu opublikowanym w Nauki o energetyce i środowiskuZespół profesora Zhao opracował nowy proces testowania solidności i stabilności platynowych alternatyw, który dostarczy nowych informacji na temat niedrogich opcji dla wodorowych ogniw paliwowych.

Przypadek wodorowych ogniw paliwowych

Wodorowe ogniwa paliwowe, opracowane jako źródło zielonej energii w XIX wieku, wykorzystują reakcje chemiczne do rozkładania wodoru na protony i elektrony w celu produkcji energii elektrycznej i wody.

„Zasadniczo masz dwie strony – anodę i katodę. Po jednej stronie umieszczasz wodór (anoda), a po drugiej tlen (katoda), a także katalizatory, które powodują reakcję” – mówi dr Meyer. „Jedną reakcją jest rozszczepienie wodoru na protony i elektrony, a drugą utlenianie tlenu. Protony i elektrony reagują z tlenem na katodzie, tworząc wodę i elektryczność”.

Główna różnica między technologią wodorowych ogniw paliwowych a akumulatorami polega na tym, że nie trzeba ładować wodorowych ogniw paliwowych. Zamiast pompy benzynowej masz tylko pompę wodoru, a zatankowanie samochodu z wodorowymi ogniwami paliwowymi zajmuje tylko trzy minuty.

Ten proces jest nie tylko czystym źródłem energii, w którym woda jest jedynie produktem ubocznym, ale jest również zrównoważony. Sam wodór jest pierwiastkiem występującym bardzo obficie i chociaż nie występuje naturalnie, można go wyekstrahować z wody.

problem kosztów

„Mamy problem typu„ kura lub jajko ”, w którym nie mamy wystarczającej ilości wodoru w procesie lub wystarczającej liczby miejsc do wykorzystania wodoru po jego ekstrakcji” – mówi profesor Zhao. „Tak więc, gdy zaczniemy produkować więcej wodoru i więcej ogniw paliwowych, oba staną się tańsze”.

Innym poważnym problemem jest koszt katalizatora. Platyna, która stanowi podstawową środkową warstwę ogniwa paliwowego, kosztuje gdzieś pośrodku 45 000 dolarów australijskich i 100 000 dolarów australijskich za kilogram.

Jednym ze sposobów jest użycie substytutów platyny, takich jak żelazo, które kosztują tylko ok 0,1 dolara australijskiego za kilogram „Szczególnie obiecującym materiałem jest żelazo, azot i węgiel, znane również jako Fe-NC”, mówi Liu.

Jednak te nowe substytuty platyny nie są obecnie powszechnie dostępne, ponieważ nie są tak stabilne jak platyna i ulegają szybszej degradacji w wodorowych ogniwach paliwowych. „Podczas gdy ogniwa paliwowe na bazie platyny mogą działać do 40 000 godzin (około 4,5 roku), żelazo, azot i materiały węglowe mogą działać tylko do 300 godzin (około 2 tygodni) w najlepszym przypadku” mówi dr Meyer.

Postęp w tej dziedzinie jest powolny, ponieważ znajdowanie rozwiązań alternatywnych i testowanie ich solidności jest procesem długotrwałym i kosztownym. „Na przykład stworzenie nowego katalizatora wodorowego ogniwa paliwowego może zająć nawet rok, a jeszcze więcej czasu zajmuje dokładne zrozumienie, co się dzieje przy użyciu drogiego, trudno dostępnego sprzętu” — mówi dr Meyer.

Opracowywanie metod analizy stateczności

Dla profesora Zhao, dr Meyera i ich zespołu odpowiedzią na obecne problemy w tej dziedzinie było opracowanie metody, która pozwoli im zrozumieć, dlaczego niektóre katalizatory, takie jak platyna, są niestabilne.

„Dzięki trzem nowym metodom, które przetestowaliśmy w laboratorium, możemy szybko dowiedzieć się, jak stabilne jest nasze ogniwo paliwowe niezawierające platyny i, co najważniejsze, zrozumieć, dlaczego. To podejście może z łatwością zostać przyjęte przez naukowców z innych laboratoriów, aby uzyskać szybkie i dokładne wyniki” wgląd w wydajność ogniw paliwowych i katalizatorów” , mówi profesor Zhao.

Korzystając z tych technik, zespół odkrył, że do 75 procent aktywnych miejsc opartych na żelazie (konkretne miejsca, w których zachodzą reakcje) staje się nieaktywnych w ciągu pierwszych 10 godzin działania ogniwa paliwowego z powodu utraty aktywnych miejsc żelaza. . Potem następuje erozja węglowa, która staje się dominującym mechanizmem rozkładu.

„Jest to szczególnie ważne, ponieważ możemy dokładnie określić, co się dzieje i kiedy. Jeśli opracujemy materiał z bardziej stabilnymi miejscami aktywnymi, powinniśmy zaobserwować wolniejszy rozkład w ciągu pierwszych 10 godzin, podczas gdy erozja węgla może mieć ten sam trend” – mówi dr Meyer. .

„Umożliwiając precyzyjne śledzenie mechanizmów degradacji, oczekujemy, że dziedzina badawcza będzie w stanie stworzyć nowe materiały ukierunkowane na te problemy ze stabilnością. W rezultacie wierzymy, że nasze podejście pomoże poprawić stabilność katalizatorów niezawierających platyny i rozjaśni tę dziedzinę przyszły.”

następne kroki

Chociaż jest to ważny krok w dziedzinie wodorowych ogniw paliwowych, prof. Zhao, dr Meyer i ich zespół skupiają się na kolejnym celu.

„Opracowujemy katalizator, w którym łączymy różne metale, aby zwiększyć stabilność katalizatorów” – mówi profesor Zhao. „Korzystając z opracowanego tutaj procesu, możemy uzyskać szybki i wiarygodny wgląd w stabilność tych tanich katalizatorów nieplatynowych. Daje nam to ekscytujące wyniki pozwalające zrozumieć, co się dzieje”.

Zespół koncentruje się również na sposobach zwiększenia skalowalności taniego, niezawierającego platyny katalizatora do wodorowych ogniw paliwowych z laboratorium w produkt, który będzie można wykorzystać do zasilania prawdziwych urządzeń, a pewnego dnia do przenoszenia mocy na naszych drogach.

/wydanie publiczne. Ten materiał od oryginalnej organizacji/autora(ów) może dotyczyć konkretnego momentu i został zredagowany pod kątem przejrzystości, stylu i długości. Mirage.News nie zajmuje stanowisk ani stron korporacyjnych, a wszystkie opinie, stanowiska i wnioski wyrażone w niniejszym dokumencie są wyłącznie poglądami autora (autorów).