Apie vieną iš perspektyviausių alternatyvių energijos šaltinių, hibridinį Toyota Mirai ir aplinkosaugą

Dabar kuro elementuose naudojamas vandenilis dažniausiai gaunamas iš gamtinių dujų, vadinamuoju metano reformingu garais (tai yra, angliavandenilius garais ir karščiu verčiant į sudedamąsias dalis – anglį ir vandenilį), nors galima ir „žalesniu“ būdu – elektrolize, naudojant atsinaujinančią saulės ar vėjo energiją.

Svarbiausi kuro elemento komponentai:

1. Anodas, kuriame vandenilis oksiduojamas;
2. Katodas, kuriame vyksta deguonies redukavimas;
3. Polimerinė elektrolitinė membrana, per kurią vyksta (priklausomai nuo terpės) protonų ar hidroksido jonų transportas, — vandenilio ir deguonies ji nepraleidžia;
4. Deguonies ir vandenilio tekėjimo lauko, kuriuo šios dujos tiekiamos elektrodui.

Norint tiekti energiją, pavyzdžiui, automobiliui, iš kuro elementų surenkamos baterijos, ir jos tiekiamos energijos kiekis tiesiogiai priklauso nuo bendro elektrodų ploto ir elementų skaičiaus. Kuro elemente energija kuriama taip: vandenilinis oksiduojamas ant anodo, ir jo elektronai nukreipiami į katodą, kur redukuojamas deguonis. Oksiduojantis vandeniliui ant anodo išsiskyrusių elektronų cheminis potencialas didesnis, nei redukuojančių deguonį ant katodo. Šis elektronų cheminių potencialų skirtumas ir sukuria kuro elementų energiją.

Sukūrimo istorija

Kuro elementų istorija nukelia mus į XIX amžiaus ketvirtąjį dešimtmetį, kai pirmąjį vandenilio kuro elementą sukonstravo velsietis fizikas Williamas Robertas Grove'as. Šiame elemente kaip elektrolitas naudota sieros rūgštis.

Grove'as bandė iš vandeninio vario sulfato tirpalo ant geležinio paviršiaus nusodinti gryną varį. Jis pastebėjo, kad elektros srovė skaido vandenį į vandenilį ir deguonį. Po šio atradimo Grove'as ir Bazelio universitete (Šveicarijoje) lygiagrečiai su juo dirbęs chemikas Christianas Friedrichas Schönbeinas 1839 metais tuo pačiu metu pademonstravo galimybę gauti energiją vandenilio-deguonies elementu, naudojant rūgštinį elektrolitą. Šie pirmieji bandymai, nors iš esmės primityvūs, tačiau patraukė kai kurių amžininkų dėmesį, tarp kurių buvo ir Michaelas Faraday'us.

Kuro elementų tyrimai buvo tęsiami, ir ketvirtajame jau XX amžiaus dešimtmetyje Francis Thomas Baconas vieną iš kuro elementų tipų, šarminį kuro elementą, papildė nauju komponentu — hidroksido jonų transportą palengvinančia jonų mainų membrana.

Vienas iš žymiausių istorinių šarminių kuro elementų pritaikymo pavyzdžių yra jų kaip pagrindinio energijos šaltinio panaudojimas kosminėje „Apollo“ programoje.

NASA pasirinko juos dėl ilgaamžiškumo ir techninio atsparumo. Juose buvo naudojama hidroksido jonus praleidžianti membrana, kurios efektyvumas lenkė protonų mainų membranos rodiklius.

Nuo pirmojo kuro elemento prototipo sukūrimo prieš beveik du šimtus metų, jie buvo smarkiai patobulinti. Bendrai, iš kuro elemento gaunama energija priklauso nuo oksidacijos–redukcijos reakcijos kinetikos, vidinės elemento varžos ir reaguojančių dujų ir jonų masių perkėlimo į aktyvius katalizės komponentus. Ilgainiui pradinė idėja buvo daug kartų gerinama, pavyzdžiui:

Pirmasis vandenilio kuro elementuis naudojantis automobilios buvo 1966 metais pristatytas GM Chevrolet Electrovan

1. platinos laidai pakeisti anglies pagrindu sukurtais elektrodais su platinos nanodalelėmis;
2. Išrastos aukšto našumo ir selektyvumo membranos, palengvinančios jonų transportą, tokios, kaip Nafion;
3. Apjungtas katalizės sluoksnis, pavyzdžiui, platinos nanodalelės ant anglies pagrindo, ir jonų mainų membrana, taip sukuriant minimalios vidinės varžos membranos-elektrodo bloką;
4. Tekėjimo laukų panaudojimas ir optimizavimas leidžia tiekti vandenilį ir deguonį į katalizės paviršių, užuot juos tirpinus.

Šiais ir kitais patobulinimai buvo sukurta pakankamai efektyvi technologija, kurią buvo galima naudoti tokiuos automobiliuose, kaip Toyota Mirai.

 

Kuro elementai su hidroksido mainų membranomis

Delavero universitete tiriami ir tobulinami kuro elementai su hidroksido mainų membranomis — HEMFCs (hydroxide exchange membrane fuel cells). Kuro elementai su hidroksido mainų membranomis vietoje protonų mainų membranų — PEMFCs (proton exchange membrane fuel cells) — rečiau susiduria su viena iš didžiausių PEMFCs problemų — katalizatoriaus stabilumo, nes daugiau netauriųjų metalų pagrindu katalizatorių yra stabilūs šarminėje aplinkoje, o ne rūgščioje. Katalizatoriai šarminiuose tirpaluose stabilesni, dėl to, kad tirpdami metalai išskiria daugiau energijos esant žemam pH, nei esant aukštam. Didžioji dalis šioje laboratorijoje atliekamų darbų taip pat skirti ieškoti naujų, dar efektyvesnių vandenilio oksidavimo ir deguonies redukavimo anodinių ir katodinių katalizatorių. Be to, šioje laboratorijoje kuriamos naujos hidroksido mainų membranos, kurios laidumu ir ilgaamžiškumu galėtų konkuruoti su protonų mainų membranomis.

Naujų katalizatorių paieškos

Kadangi buvo sukurtos puikios proto mainų membranos, o vandenilis rūgščioje aplinkoje gan nesunkiai oksiduojamas, dauguma tyrimų buvo skirta kurti naujus katodinius deguonies redukavimo katalizatorius rūgščioje terpėje. Šiose reakcijose dėl viršįtampių patiriama daugiausiai nuostolių. Dėl viršįtampio, norint pasiekti reikiamą elektros srovės tankį, reikia papildomos termodinaminės jėgos (šiam tankiui padidinti reikia didesnės elektrovaros jėgos). Kuro elemente tai reiškia anodo elektronų cheminio potencialo sumažėjimą ir katodo cheminio potencialo padidėjimą. Dėl to, didėjant srovės tankiui, mažėja elektrovaros jėga, kurią galima sukurti kuro elementu.

Deguonies redukavimo reakcijoje dėl viršįtampio kylantys nuostoliai aiškinami linijiniu tarpinių šios reakcijos produktų masteliu. Tradiciniame šios reakcijos keturių elektronų mechanizme deguonis nuosekliai redukuojasi, sudarydamas tarpinius produktus — \(OOH^*\), \(O^*\) ir \(OH^*\), kol galiausiai ant katalizatoriaus susidaro vanduo \((H₂O)\). Kadangi tarpinių produktų adsorbcijos energijos prie kiekvieno katalizatoriaus smarkiai koreliuoja tarpusavyje, kol kas nėra rasta nė vieno katalizatoriaus, kuriame bent jau teoriškai nebūtų nuotolių dėl viršįtampio. Nors šios reakcijos greitis mažas, rūgščios terpės pakeitimas šarmine, kaip, pavyzdžiui HEMFC, tai nelabai paveikia. Tačiau vandenilio oksidacijos greitis sumažėjo beveik dvigubai, ir tai motyvuoja tęsti tyrimus, aiškinantis tokio sumažėjimo priežastis ir ieškant naujų katalizatorių.

Kuro elementų pranašumai

Kitaip nei iškastinis angliavandenilinis kuras, kuro elementai aplinkai kur kas saugesni ir jiems veikiant, neišsiskiria šiltnamio efektą sukeliančios dujos. Negana to, kuro elementuose naudojamas vandenilis yra atsinaujinantis, nes jį galima gauti, elektrolizuojant vandenį. Tad, vandenilio kuro elementai gali tapti visateise atsinaujinančios energijos proceso dalimi – Saulės ir vėjo energija išgaunamas vandenilis, kuris paskui kuro elementuose susijungia atgal į vandenį. Taip ciklas užsidaro, nepalikdamas jokio anglies pėdsako.

Kuro elementai pranašesni už baterijas tuo, kad jų nereikia įkrauti — energiją gali tiekti iš karo, kai tik to prisireikia. Tai yra, naudojant, tarkime, transporte, iš vartotojo pusės pokyčių beveik nebus. Kitaip nei Saulės elementai, ar vėjo jėgainės, kuro elementai energiją gali tiekti nuolat ir nuo aplinkos sąlygų priklauso kur kas mažiau. Jei geoterminė energija gali būti naudojama tik tam tikrose geografinėse vietovėse, kuro elementams tokios problemos neaktualios.

Vandenilio kuro elementai — vieni iš perspektyviausių alternatyvių energijos šaltinių dėl savo portabilumo ir įrangos mastelio lankstumo.

Vandenilio sandėliavimo sudėtingumas

Be problemų su membranomis ir katalizatoriais, kiti techniniai kuro elementų sunkumai susiję su vandenilio saugojimu ir transportavimu. Vandenilio tūrinė santykinė energija – energijos kiekis konkrečios temperatūros ir slėgio tūrio vienete – labai maža, todėl jis laikomas ir pervežamas labai aukštame slėgyje. Antraip norimo vandenilio kiekio saugojimo talpos būtų pernelyg didelės. Tokius vandenilio saugojimo apribojimus buvo bandoma apeiti, vandenilį išgaunant ne iš dujinės jo formos, pavyzdžiui, metalo hidridų. Tačiau dabartiniuose plataus naudojimo kuro elementuose, tokiuose, kokie yra Toyota Mirai, naudojamas superkritinis vandenilis, t.y. aukštesnės, nei 33 K temperatūros ir didesnio, nei 13,3 atmosferų slėgio, ir kol kas tai yra patogiausias variantas.

Srities perspektyvos

Dėl techninių sunkumų ir vandenilio gavimo iš vandens atsinaujinančia energija problemų, tyrimai tikriausiai bus nukreipti alternatyvių vandenilio šaltinių paieškai. Viena iš populiariausių idėjų – naudoti amoniaką tiesiogiai kuro elementuose arba kaip lengviau valdomą vandenilio šaltinį — amoniaką saugoti ir transportuoti daug patogiau, nes jo taip stipriai slėgti nereikia. Be to, amoniakas kaip vandenilio šaltinis dar yra patrauklus tuo, kad jame nėra anglies. Tai pašalina katalizatoriaus apnuodijimo problemą, nes iš metano gaunamame vandenilyje yra šiek tiek anglies monoksido – CO.

Tačiau pats amoniako oksidavimas dar nėra gerai ištirtas norint pasiekti reikiamą srovės tankį, reikia didelių viršįtampių, nes lyginant su tarpiniais amoniako oksidavimo produktais, \(NH₃\) yra santykinai stabilus. Įdomu, kad viena ir ta pati linijinio mastelio santykio apsunkinama optimalaus katalizatoriaus problema riboja tiek deguonies redukavimo reakcijas, tiek ir amoniako oksidavimo. Taigi, jei suprasime, kokiomis sąlygomis šie santykiai suyra ir tuo remdamiesi, laboratorijoje sukursime tinkamus katalizatorius, gan greitai galėtume atsikratyti daugybės šių procesų kinetiką ribojančių faktorių.

Ateityje kuro elementai galėtų būti plačiai panaudoti transporto technologijose ir paskirstytoje energijos gamyboje, pavyzdžiui, gyvenamuosiuose rajonuose. Nepaisant to, kad dabar kuro elementus naudoti kaip pagrindinius energijos šaltinius, reikia didelių investicijų, sukūrus pigesnius ir efektyvesnius katalizatorius, stabilias ir elektrai laidžias membranas bei alternatyvius vandenilio gavybos būdus, kuro elementai galėtų tapti ekonomiškai labai patrauklūs.

Komentarai ()