Это значительный шаг вперед в улавливании углекислого газа и может приблизить появление на рынке более экологически чистых топливных элементов.

Исследовательская группа, возглавляемая профессором UD Юшан Яном, сообщила о своем методе в Природная энергия в четверг, 3 февраля.

Технология, меняющая правила игры для повышения эффективности топливных элементов

Топливные элементы работают путем преобразования химической энергии топлива непосредственно в электричество. Их можно использовать в транспорте для таких вещей, как гибридные автомобили или автомобили с нулевым уровнем выбросов.

Ян, заведующий кафедрой химической и биомолекулярной инженерии Генри Белин Дюпон, в течение некоторого времени работал над улучшением топливных элементов с гидроксиднообменной мембраной (HEM), экономичной и экологически чистой альтернативой традиционным топливным элементам на основе кислот, используемым сегодня.

Но у топливных элементов HEM есть недостаток, из-за которого они не используются на дорогах, - они чрезвычайно чувствительны к углекислому газу в воздухе. По сути, углекислый газ затрудняет дыхание топливного элемента HEM.

Этот дефект быстро снижает производительность и КПД топливного элемента до 20%, делая топливный элемент не лучше бензинового двигателя. Исследовательская группа Яна уже более 15 лет занимается поиском решения этой проблемы с углекислым газом.

Несколько лет назад исследователи поняли, что этот недостаток на самом деле может быть решением - для удаления углекислого газа.

"Как только мы вникли в механизм, мы поняли, что топливные элементы улавливают практически все частицы углекислого газа, которые попадают в них, и они действительно хорошо отделяют его на другую сторону", - сказал Брайан Сетцлер, доцент кафедры исследований в области химической и биомолекулярной инженерии и соавтор статьи.

Хотя это не очень хорошо для топливного элемента, команда знала, что если бы они могли использовать этот встроенный процесс "самоочистки" в отдельном устройстве выше по потоку от блока топливных элементов, они могли бы превратить его в сепаратор углекислого газа.

"Оказывается, наш подход очень эффективен. Мы можем улавливать 99% углекислого газа из воздуха за один проход, если у нас будет правильный дизайн и правильная конфигурация", - сказал Ян.

Итак, как же они это сделали?

Они нашли способ встроить источник питания для электрохимической технологии внутри разделительной мембраны. Подход включал внутреннее короткое замыкание устройства.

"Это рискованно, но нам удалось управлять этим короткозамкнутым топливным элементом с помощью водорода. И используя эту внутреннюю мембрану с электрическим замыканием, мы смогли избавиться от громоздких компонентов, таких как биполярные пластины, токоприемники или любые электрические провода, обычно встречающиеся в блоке топливных элементов", - сказал Лин Ши, докторант в группе Yan и ведущий автор статьи.

Теперь у исследовательской группы было электрохимическое устройство, которое выглядело как обычная фильтрующая мембрана, предназначенная для отделения газов, но с возможностью непрерывного улавливания мельчайших количеств углекислого газа из воздуха, как более сложная электрохимическая система.

По сути, встраивание проводов устройства внутрь мембраны создало короткий путь, который облегчил частицам углекислого газа перемещение с одной стороны на другую. Это также позволило команде сконструировать компактный спиральный модуль с большой площадью поверхности в небольшом объеме. Другими словами, теперь у них есть меньший корпус, способный фильтровать большее количество воздуха одновременно, что делает его эффективным и экономичным для применения на топливных элементах. Между тем, меньшее количество компонентов означает меньшую стоимость и, что более важно, обеспечивает возможность легкого масштабирования для рынка.

Результаты исследовательской группы показали, что электрохимическая ячейка размером 2 на 2 дюйма может непрерывно удалять около 99% углекислого газа, содержащегося в воздухе, проходящем со скоростью примерно два литра в минуту. По словам исследователей, ранний прототип спирального устройства размером с 12-унционную банку из-под газировки способен фильтровать 10 литров воздуха в минуту и удалять 98% углекислого газа.

По словам Сетцера, масштабируемое для применения в автомобилестроении устройство будет примерно размером с галлон молока, но его можно использовать и для удаления углекислого газа в других местах. Например, запатентованная UD технология может позволить использовать более легкие и эффективные устройства для удаления углекислого газа на космических кораблях или подводных лодках, где постоянная фильтрация имеет решающее значение.

"У нас есть несколько идей для долгосрочной дорожной карты, которая действительно может помочь нам достичь этой цели", - сказал Сетцлер.

По словам Ши, поскольку электрохимическая система работает на водороде, по мере развития водородной экономики это электрохимическое устройство также может быть использовано в самолетах и зданиях, где требуется рециркуляция воздуха в качестве меры энергосбережения. Позже в этом месяце, после защиты своей диссертации, Ши присоединится к Versogen, дочерней компании UD, основанной Яном, чтобы продолжить исследования в области устойчивого использования зеленого водорода.

Соавторами статьи из лаборатории Янь являются Юн Чжао, соавтор и научный сотрудник, который выполнил экспериментальную работу, необходимую для тестирования устройства; Стефани Матц, докторант, которая внесла свой вклад в проектирование и изготовление спирального модуля, и Шимшон Готтесфельд, адъюнкт-профессор химического и биомолекулярная инженерия в UD. Готтесфельд был главным исследователем проекта 2019 года, финансируемого Агентством перспективных исследовательских проектов-Energy (ARPA-E), который привел к получению результатов.