Топливные элементы становиться более долговечными

Топливные элементы становиться более долговечными

Электрический транспорт набирает популярность, но основная проблема остаётся – высокая стоимость топливных батарей (то есть аккумуляторов или топливных элементов). Итоговая стоимость эксплуатации электротранспорта складывается из стоимости самого транспортного средства и его технического обслуживания. Сама стоимость производства может уменьшаться незначительно (в связи с внедрением новых технологий), но это небольшой вероятный процент. Цена энергоаккумуляторов электротранспорта составляет больше половины стоимости самой модели электромобиля – то есть если снизить их стоимость, можно реально сделать электротранспорт более доступным. Каким же образом можно снизить цену на накопители энергии для электротранспорта – улучшить один из факторов – увеличить их долговечность.

Топливные элементы на водороде отличаются по своей конструкции от других аккумуляторов, и имеют высокую плотность энергии (Вт\кг). Плюс водородные элементы не выделяют в воздух CO2  (то есть углекислого газа) в атмосферу. И эти две особенности продолжают оставлять этот вид энергоаккумулятора в качестве мощной альтернативы углеводородным двигателям. Но у них высокая стоимость и не высокая долговечность.

Для работы топливного элемента необходим катализатор

Для эффективной работы топливным элементам необходим электрокатализатор, улучшающий электрохимическую реакцию, в которой вырабатывается электричество. Используемые в настоящее время платиново-кобальтовые катализаторы обладают хорошими каталитическими свойствами и требуют лишь минимального количества необходимой редкой и дорогой платины. Для того, чтобы катализатор использовался в топливном элементе, он должен иметь поверхность с очень мелкими частицами катализаторов в нанометровом диапазоне (наночастицы). Поскольку мелкие частицы, а также углерод в топливном элементе подвержены коррозии, элемент со временем теряет эффективность и стабильность. То есть катализаторы загрязняются, снижается эффективность накопления и отдачи энергии, что ухудшает показатели аккумулятора.

Международной команде под руководством профессора Матиаса Аренца (Matthias Arenz) с факультета химии и биохимии (DCB) Бернского университета удалось это исправить. Для этого был разработан специальный процесс для получения электрокатализатора без углеродного носителя, который, в отличие от существующих катализаторов, состоит из тонкой металлической сетки и поэтому является более долговечным. Как пишут разработчики, полученный катализатор даёт более высокую производительность, улучшает стабильность работы топливного элемента даже при более высоких температурах и увеличенной плотности тока.

Топливный элемент – напрямую преобразует водород в электроэнергию

В топливном элементе водорода атомы водорода используются для получения электрической энергии. Для этого водород подается на электрод, где он расщепляется на положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны. Электроны протекают через электрод и генерируют электрический ток за пределами элемента, который приводит в движение, например, двигатель автомобиля. Протоны проходят через мембрану, проницаемую только для протонов, и реагируют с другой стороны на втором электроде, покрытом катализатором (здесь из сетки платиново-кобальтового сплава) с кислородом из воздуха, таким образом, образуя водяной пар. То есть выхлоп у такого элемента является чистой водой.

Важная роль электрокатализатора

Для производства электричества на топливном элементе оба электрода должны быть покрыты катализатором. Без катализатора химические реакции протекали бы очень медленно. Это касается, в частности, второго электрода - кислородного электрода. Однако платиново-кобальтовые наночастицы катализатора могут «сплавляться вместе» во время работы в транспортном средстве. Это снижает поверхность катализатора и, следовательно, эффективность ячейки. Кроме того, углерод, обычно используемый для фиксации катализатора, может окисляться при использовании на транспорте. Это влияет на срок службы топливного элемента и, следовательно, автомобиля (и естественно увеличивая стоимость эго техобслуживания). Производство электрокатализатора без углеродного носителя может значительно увеличить долговечность и поднять эффективность. Но поскольку размер поверхности носителя имеет решающее значение для активности катализатора, их получение в производственном масштабе было малопригодно.

Технология, применяемая в промышленности

Исследователи смогли воплотить эту идею в жизнь благодаря специальному процессу, называемому катодным напылением. При этом методе чистый катализатор в виде металла (платина или кобальт) растворяется (распыляется) бомбардировкой ионами. Высвобождающиеся газообразные атомы затем конденсируются как адгезивный слой. С помощью специального процесса распыления разработчики добились эффективного промышленного процесса, который позволяет придать катализатору высокой пористой структуры и надёжности. При этом получаемая сетка катализатора является самонесущей, то есть не требует для себя углерода или других материалов в качестве носителей.

Технология является промышленно масштабируемой и может быть использована также при больших объемах в производстве.

Несмотря на то что появляются новые высокоэффективные электрические аккумуляторы, топливные водородные элементы будут продолжать использоваться, так как в отличии от первых не требуют для себя наличия электрической сети для заряда.

Назад