Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) разрабатывают твердооксидные топливные элементы для установок, вырабатывающих электроэнергию из углеводородного топлива или водорода. Вместе с учеными из Института сильноточной электроники СО РАН (ИСЭ СО РАН) они предложили новый метод получения одного из ключевых элементов топливной ячейки — электролита. Он позволит увеличить срок службы топливных элементов, сообщили в пресс-службе вуза.
По словам ученых, они впервые в России предложили использовать метод магнетронного распыления для создания электролита. С помощью этого метода они получили очень тонкий слой электролита, толщиной не более 5 микрон. Это позволило снизить температуру, при которой происходит выработка электроэнергии, на 100°С, что поможет увеличить срок службы топливных элементов.
Твердооксидные топливные элементы можно считать "сердцем" водородной энергоустановки. Они превращают энергию топлива в электрическую энергию и частично в тепловую без его сжигания. Твердооксидные топливные элементы могут работать с углеводородным топливом, например, с метаном и бутаном, а также с водородом.
В России придумали новый тип накопителей водородного топлива
Топливный элемент представляет собой пластину из трех слоев: катода, анода и электролита между ними. В энергетической установке на них с разных сторон подается, водород и воздух. Ионы кислорода и молекулы водорода встречаются и между ними происходит химическая реакция, в результате которой генерируется тепло и электроэнергия. Побочный продукт реакций — чистая вода.
У твердооксидных топливных элементов есть два серьезных преимущества, отметил доцент Научно-образовательного центра Б.П. Вейнберга ТПУ Андрей Соловьев.
"Во-первых, у них электрический коэффициент полезного действия достигает 60%, в то время как у тепловых, газотурбинных или атомных электростанций – 40%. Во-вторых, они экологичные, поэтому на них сегодня обращают внимание во всем мире. Однако они до сих пор широко не распространены, и ученые ищут методы и способы получения еще более эффективных, надежных и дешевых топливных элементов. В Томске давно успешно развивается направление нанесения тонкопленочных покрытий методом магнетронного распыления, поэтому мы решили попробовать наносить электролит именно этим методом. И получили толщину слоя в пять микрон – один из лучших результатов среди других методов нанесения электролитов", — рассказал он.
Электролит в топливном элементе играет роль барьера между молекулами водорода и кислорода, которые могут взорваться при прямом смешении. Слой электролита пропускает только нужные для безопасной реакции ионы кислорода. Сам электролит представляет собой тонкую пленку из диоксида циркония, стабилизированного иттрием, и оксида церия, допированного гадолинием. Наносят электролит на керамический анод.
"Суть метода магнетронного распыления заключается в выбивании (распылении) атомов вещества из поверхностных слоев мишени ионами рабочего газа, обычно аргона, и последующем их осаждении на подложке", — рассказал инженер Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Егор Смолянский.
В Томском политехе для нанесения таких покрытий была создана собственная вакуумная установка магнетронного распыления.
"Обычные твердооксидные топливные элементы работают при температуре около 850°С. Наши же за счет тонкого электролита – при температуре в 750°С. Снижение рабочей температуры увеличивает срок службы батареи топливных элементов, так как при меньшей температуре снижается скорость деградации материалов. Также тонкий электролит позволяет повысить плотность мощности. Это позволяет получать больше энергии при том же размере топливного элемента. Чтобы выяснить, насколько можно увеличить срок службы элементов, необходимо провести долгосрочные ресурсные испытания", — отметил Смолянский.
По инициативе ТПУ был создан консорциум "Технологическая водородная долина". Его участники будут вести совместные исследования и разрабатывать технологии для получения водорода, его транспортировки, безопасного хранения и использования в энергетике. В консорциум вошли Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский государственный университет.
Япония к 2030 году доведёт долю водорода в энергетике до 10 млн тонн
Япония планирует значительно нарастить долю использования в энергетике водорода и довести её годовые объёмы до 10 млн тонн к 2030 году. Об этом 8 декабря сообщает газета Nikkei.
По данным издания, правительство страны таким образом рассчитывает получить объёмы выработки электроэнергии, эквивалентные мощности 30 атомных реакторов. Отмечается, что в 2017 году власти Японии, в рамках политики по снижению выбросов углекислого газа, ставили намного более скромную цель — за это же время довести использование водорода до 300 тыс. тонн в год.
Реализацию «зелёного» плана к сроку правительство Японии планирует поддержать субсидиями в сумме два трлн иен ($19,2 млрд), а также налоговыми льготами для представителей индустрии. Без такого стимулирования реализация плана видится проблематичной, поскольку в настоящее время производство водородной энергии примерно в 10 раз дороже, чем при использовании СПГ.
Правительство Японии также намерено стимулировать производство транспорта на водороде, в первую очередь городского. А также использование топливных элементов в морских перевозках.
Напомним, что уже в своей первой программной речи в октябре новый премьер-министр Японии Ёсихидэ Суга поставил задачу к 2050 году свести в стране к нулю выбросы углекислого газа в атмосферу.
«Любовь к кислороду» помогла получить больше водорода
Исследователи выяснили, что сила связи между металлическим катализатором и кислородом определяет эффективность процесса электролиза. Открытие позволит создать новые катализаторы для получения водородного топлива.
Одна из проблем водородной энергетики — низкая эффективность электролиза воды. Теперь исследователи нашли способ увеличить скорость этого процесса и снизить стоимость получаемого таким методов топлива.
Водород имеет все шансы стать экологически чистым топливом будущего. Водородные автомобили и даже поезда — дело не такого уж далекого будущего. Тем не менее, в водородной энергетике остается ряд проблем. Например, низкая эффективность процесса электролиза, в результате которого образуется водород. На протяжении нескольких лет исследователи спорят о методах, с помощью которых можно повысить эффективность получения водорода на платиновых катализаторах.
Авторы нового исследования пришли к выводу, что эти споры часто заканчивались ничем из-за того, что ученые обсуждали различные типы электродов. Поэтому химики создали специальный платиновый кристалл с одинаковой концентрацией дефектов по всей поверхности. Количество этих дефектов напрямую влияет на каталитическую активность электрода: чем более неровная поверхность, тем больше на ней каталитических центров и тем эффективнее протекает электролиз.
Исследователи создали несколько различных кристаллов с одинаковой геометрией, но поместили на их поверхность атомы различных каталитически активных металлов, таких как рутений и молибден. Затем ученые измеряли, насколько полученный электрод эффективен для получения газообразного водорода. Оказалось, что эффективность процесса напрямую связана с тем, насколько хорошо атом металла на платине связывается с кислородом в молекуле воды. Это свойство металла называется оксофильностью или буквально — «любовью к кислороду».
Затем авторы разработали математическую модель, которая описывает этот эффект. По словам ученых, открытие поможет им создать новые катализаторы и электроды для эффективного получения газообразного водорода.
ca_heckler
Опасности водородного топлива
В последнее время интернет переполнен информацией о водородном топливе. Зелёные, не слишком разбирающиеся в химии и биологии, но зато любящие похайповать у себя в бложиках, как было бы хорошо, если бы люди не существовали, если бы природа победила и так далее, пишут, видимо, закатывая глаза, сидя за клавиатурой. Ах бы нам водородного топлива. Вот бы мы зажили. Как бы классно было бы с водородным топливом!
Не отстают и экологи, с плачем подбитых чаек они бросаются на амбразуру нефтяных станций: водородного нам бы топлива...
Каждый раз протирая окно моей квартиры от чёрной пыли, я почти готова согласиться с экологами и с зелёными, сколь бы смешными ни находила их патетические завывания. Но остаётся ма-а-аленькая такая деталька, которая заставляет меня не соглашаться...
Что такое водородное топливо?
Водородное топливо это водород... Да... Небольшое разочарование, ничего особого типа мегаводоролиона или какого-то особого соединения. Водород самый простой элемент и самый распространённый во вселенной. Во всяком случае в той вселенной, которую мы знаем. Водород легко реагирует с кислородом. Это основа основ неорганической химии. Да вообще химии, с реакции водорода с кислородом начинается изучение предмета. Всё очень просто.
Водород и кислород реагируют с выбросом энергии. То есть реакция энергетически выгодна. Правда, например, в абсолютной темноте, в отсутствие энергии реакция не пойдёт. Необходима инициация, то есть небольшая щепотка энергии, которая запустит реакцию.
Так как солнца у нас хватает (даже на севере, всё равно для водорода этого солнца много), свободного водорода мало...
Как работает водородный двигатель?
Водородный двигатель гипотетически должен работать как и обычный двигатель внутреннего сгорания: впрыск, сжатие, зажигание и выхлоп... О! Про выхлоп особенно любят писать: выхлоп экологически чистый. Вода-пар. Почти каждая статья начинается с этого экологически чистого выхлопа...
Но вот беда... Водород легко горит и взрывоопасен (помните ещё и кислород??), а ещё... свободный водород надо получить. Водорода много... Но свободного практически нет.
Как получить водород?
Водород чаще всего получают из воды. С помощью электролиза. И вот тут появляется беда номер 3. При электролизе может получаться дейтерий и на выходе тяжёлая вода.
Вода не всегда достаточно чистая. И это приводит к концентрации тяжёлой воды. Есть вода нормальная с обычным изотопом водорода, также известным, как протий. Такая вода "легко" разделяется на водород и кислород. Есть другой изотоп водорода - дейтерий (и ещё более тяжёлый - тритий, а также некоторые другие изотопы, которые существуют только в лабораториях или где-то в космосе). Дейтериевая вода хуже разлагается, поэтому она накапливается.
Пока говорят, что дейтериевую воду тяжело получить, что она не столь опасна, но что мы скажем, когда тяжёлой воды окажется слишком много и будет слишком поздно?
Водород и водородное топливо надо изучать. Количество вредных газов, выбрасываемых в атмосферу надо уменьшить, города надо сделать чище. Но прежде чем что-то вводить, применять какую-то новую технологию, надо проверить всё, что только можно. А то как бы не вышло, как с талидомиодом...
Британские ученые нашли бесплатную замену углеводородному топливу
Исследователи из Кембриджского университета придумали устройство, которое генерирует горючий газ из воды и воздуха без использования внешних источников энергии. Пустят ли это устройство на рынок производители традиционного топлива?
Природа создала удивительный механизм, дающих энергию растениям — фотосинтез. Этот химический процесс превращает воду и солнце в питательные вещества, необходимые для растений и кислород.
Нечто подобное придумали исследователи Кембриджского университета, новое устройство использует солнечный свет, воздух и воду для генерации синтез-газа, который отлично горит и который можно использовать для генерации тепла. Синтез-газ может стать хорошей заменой бензину и природному газу, при том что его производство дешевле и не наносит вред окружающей среде.
Синтез-газ
Новое устройство получило название Artificial leaf или Искусственный лист. Это еще одно устврйство, относящееся к категории чистой энергетики. Устройство производит синтез-газ используя солнечный свет даже в пасмурную погоду. Для запуска процесса требуется только вода и углекислый газ из воздуха.
Сегодня синтез-газ имеет широкое применение, его используют в основном для производства фармацевтических препаратов, удобрений, пластмасс, синтетического топлива.
Конструкция газогенератора
Конструкция устройства состоит двух поглотителей света, которые аккумулируют солнечный свет и двух катализаторов, соединенных с поглотителями.
Энергия солнечного света запускает химическую реакцию, в результате, в одном из катализаторов образуется кислород, а в другом смесь водорода и угарного газа, на выходе газы смешиваются образуя синтез-газ, пригодный для использования в качестве топлива.
Солнечные поглотители изготовлены из перспективного материала, титаната кальция (Перовскита), это материал обеспечивают высокое фотоэлектрическое напряж
Перовскит
ение для питания химической реакции, посредством которой диоксид углерода восстанавливается до монооксида углерода (угарного газа). Водородные и кислородные катализаторы изготовлены из кобальта.
Инженеры намерены довести технологию до промышленной эксплуатации, так как синтез-газ может быть дешевым источником получения синтетического этанола. Тем не менее, распространение этой технологии может оказаться под угрозой, так как это не выгодно крупным компаниям — производителям углеводородного топлива. По крайней мере, до сих пор, ни один проект, связанный с получением дешевого топлива не получил распространения.
