Топливные элементы с гидроксидообменной мембраной в настоящее время изучаются в качестве альтернативы традиционным топливным элементам. Считается, что они более экономичны и экологичны, чем используемые сегодня топливные элементы. Однако они обладают тем недостатком, что чрезвычайно чувствительны к содержанию углекислого газа в воздухе, что снижает их эффективность. После более чем 15 лет исследований группа ученых решила воспользоваться этим препятствием и придумала экономически эффективное решение для извлечения 99% CO2 из воздуха.
Топливный элемент вырабатывает электрическое напряжение путем окисления восстановительного топлива (например, дигидрогена) и восстановления окислителя, например, кислорода из воздуха. Он состоит из двух биполярных пластин (одна распределяет водород, другая — кислород), двух электродов и ионообменной мембраны (которая выступает в качестве электролита). Кроме того, окисление обычно катализируется платиной. Но этот металл редкий и дорогой, поэтому ученые ищут альтернативы.
В отличие от традиционных батарей, электролит которых является кислым (ионы H+), топливные элементы с гидроксидообменной мембраной (HEM) имеют щелочную среду, что позволяет использовать более экономичные катализаторы и биполярные пластины. Однако на их работу в значительной степени влияет окружающий CO2, который препятствует оптимальной работе батареи. 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 поняли, что этот недостаток на самом деле может служить для удаления углекислого газа из воздуха.
Инновационная технология разделения
Улавливание CO2 из воздуха с помощью устройства, работающего на водороде, может привести не только к разработке более экологичных топливных элементов, но и потенциально помочь в борьбе с глобальным потеплением. «Мы поняли, что топливные элементы захватывают почти весь углекислый газ из воздуха, который в них попадает, и очень эффективно отделяют его с другой стороны«, — объясняет в своем заявлении Брайан Сетцлер, доцент кафедры химических и биомолекулярных инженерных исследований и соавтор научной статьи.
Это явление влияет на работу батареи, но команда поняла, что, таким образом, она может служить сепаратором углекислого газа — другими словами, батарея будет эффективно извлекать CO2 из воздуха. «Оказалось, что наш подход очень эффективен. Мы можем улавливать 99% углекислого газа из воздуха за один проход, если у нас будет правильная конструкция и конфигурация«, — сказал Ян.
Чтобы достичь такого высокого уровня эффективности, они интегрировали в электрохимическую систему короткозамкнутую мембрану, которая проводит как анионы (CO32-), так и электроны. Устройство работает на водороде, как топливный элемент, но не требует электрических проводов, биполярных пластин или токоприемников, и поэтому может модулироваться, как обычная разделительная мембрана, объясняет команда в журнале .
Высокоэффективное и экономичное устройство
Интеграция проводов устройства непосредственно в мембрану позволила создать более компактный, самонаматывающийся модуль — и, таким образом, увеличить площадь поверхности обмена при ограничении объема. Такая структура также позволяет частицам углекислого газа легче перемещаться с одной стороны на другую, поэтому модуль способен фильтровать большие объемы воздуха за один раз.
Результаты показывают, что электрохимическая ячейка с короткозамкнутой мембраной площадью 25 см² может удалять более 99% CO2 из воздуха со скоростью потока 2000 см³/мин в течение 450 часов и может эффективно работать в условиях динамической нагрузки. Ранний прототип устройства, размером с банку газировки, был признан способным фильтровать 10 литров воздуха в минуту, удаляя при этом более 98% углекислого газа, добавили исследователи. Для автомобильного применения устройство будет размером с галлон молока (около 3,7 литра), сказал Сетцлер.
Таким образом, эта инновационная система представляется одновременно эффективной и экономически выгодной для применения в топливных элементах. Кроме того, уменьшение количества необходимых компонентов приводит к значительному снижению затрат и, прежде всего, позволяет предусмотреть быстрый выход на рынок. «Наш технико-экономический анализ показывает, что компактный модуль, способный удалять более 99% CO2, стоит 112 долларов США для ячейки HEM мощностью 80 кВт«, — говорят авторы исследования.
Конечно, такое устройство может быть использовано для удаления углекислого газа и в других контекстах. Например, команда упоминает о возможности установки на борту космических кораблей или подводных лодок, где необходима непрерывная фильтрация воздуха. Его также можно использовать в самолетах и зданиях, где рециркуляция воздуха является одной из мер по энергосбережению.