Топливные элементы с гидроксидообменной мембраной рассматриваются как альтернатива традиционным топливным элементам, поскольку считаются более экономичными и экологичными. Недостатком является повышенная чувствительность к содержанию углекислого газа в воздухе, что снижает эффективность. После более чем 15 лет исследований группа ученых предложила экономически эффективное решение для извлечения 99% CO2 из воздуха.
Топливный элемент генерирует электричество посредством окисления восстановителя (например, дигидрогена) и восстановления окислителя, например кислорода из атмосферы. Его конструкция включает две биполярные пластины: одна пропускает водород, другая — кислород, два электрода и ионообменную мембрану, выполняющую роль электролита. Обычно процесс окисления ускоряется платиной, но этот металл дорогостоящий и нехватка его стимулирует поиск альтернативных вариантов.
В отличие от традиционных батарей с кислым электролитом (ионы H+), топливные элементы с гидроксидообменной мембраной (HEM) работают в щелочной среде, что позволяет использовать более экономичные катализаторы и биполярные пластины. Однако работа этих элементов значительно зависит от окружения, особенно CO2, который препятствует их оптимальной работе. По словам исследователей, эта проблема приводит к падению производительности до 20%. Профессор Юшань Ян и его команда из Центра каталитической науки и технологий в Университете Делавэра предложили использовать этот недостаток для удаления углекислого газа из воздуха.
Инновационная технология разделения
Установление захвата углекислого газа из атмосферы при помощи водородного устройства может способствовать созданию более «зеленых» топливных элементов и окажет положительное влияние на противостояние изменению климата. Мы установили, что топливные элементы поглощают практически весь углекислый газ из поступающего в них воздуха и весьма успешно выделяют его на другом конце. — разъясняет в своем заявлении Брайан Сетцлер, доцент кафедры химических и биомолекулярных инженерных исследований, и соавтор научной статьи.
Явление оказывает влияние на работу аккумулятора, однако команда обнаружила возможность его использования в качестве разделителя углекислого газа. Таким образом, аккумулятор сможет эффективно извлекать CO2 из воздуха. Наше решение оказалось весьма действенным. Достигается поглощение 99% углекислого газа из воздуха за один проход при корректной конструкции и настройках. «, — сказал Ян.
Для достижения такой высокой эффективности в электрохимической системе использована короткая замкнутая мембрана, проводящая ионы CO. 32-И электроны. Устройство функционирует на водороде, подобно топливному элементу, однако не нуждается в электрических проводах, биполярных пластинах или токоприемниках, и поэтому может модулироваться, как обычная разделительная мембрана, утверждает команда в журнале. .
Высокоэффективное и экономичное устройство
Встроенные провода устройства в мембрану сделали модуль компактнее и самонаматывающимся, увеличив площадь обмена при постоянном объёме. Такая конструкция облегчает перемещение частиц углекислого газа между сторонами, что позволяет фильтровать большие объемы воздуха за один раз.
Эксперименты показали, что электрохимическая ячейка с короткозамкнутой мембраной площадью 25 см² удаляет более 99% CO2 из воздуха со скоростью потока 2000 см³/мин в течение 450 часов и эффективно функционирует при переменных нагрузках. Разработанный прототип, размером с банку газировки, способен фильтровать 10 литров воздуха в минуту, удаляя более 98% углекислого газа. Для использования в автомобилях устройство будет размером с галлон молока (около 3,7 литра), отметил Сетцлер.
Инновационная система, благодаря своей эффективности и экономической выгоде, идеально подходит для использования в топливных элементах. Уменьшенное количество компонентов существенно снижает затраты и ускоряет выход на рынок. Т E А показал, что компактный модуль, очищающий свыше 99% CO2, обойдется в 112 долларов США на ячейку HEM производительностью 80 кВт. «, — говорят авторы исследования.
Такое устройство может применяться для удаления углекислого газа и в других ситуациях. Команда приводит примеры установки на космических кораблях или подводных лодках для постоянной фильтрации воздуха. Также его можно использовать в самолётах и зданиях, где рециркуляция воздуха входит в комплекс энергосберегающих мер.