Химик из Калифорнийского университета в Беркли разработал новую технологию, которая может продлить срок службы топливных элементов, производящих водород, и ускорить появление конкурентоспособных по цене и экологически чистых версий этого источника топлива.

Водород используется в качестве топлива для большегрузных транспортных средств, химического сырья для производства удобрений и других химикатов и материалов, а также решения для длительного хранения энергии в электросетях. Сегодня большая часть водорода производится из природного газа и, в меньшей степени, из угля, что приводит к выбросам большого количества углекислого газа и оказывает типичное воздействие на окружающую среду, связанное с добычей и использованием ископаемого топлива.

Водород также можно получать с помощью электролизеров, которые расщепляют воду и выделяют только кислород в качестве побочного продукта. Однако для большинства применений водород, получаемый электролизом воды, в настоящее время слишком дорог, чтобы конкурировать с ископаемыми источниками без субсидий. Решение заключается в использовании дешёвой, но непостоянной энергии ветра и солнца для производства электроэнергии, но для этого сами электролизеры должны быть дешевле в производстве, поскольку они используются меньшее количество времени.

Шеннон Бёттчер и его команда разрабатывают новую технологию электролиза с использованием ионпроводящих полимеров, которая могла бы значительно снизить стоимость, но пока они недостаточно стабильны — электроды, как правило, быстро деградируют. Его команда модернизировала эти электролизеры таким образом, чтобы защитить электроды от деградации.

«Если нам удастся воплотить это в жизнь, то вполне можно ожидать пяти- или десятикратного снижения стоимости этих мембранных электролизеров, что действительно позволит нам подключать их к сети в качестве регулируемых потребителей недорогих электронов и источников водорода», — сказал Бёттчер, профессор химической и биомолекулярной инженерии и химии Калифорнийского университета в Беркли.

Электролизеры — это способ использовать избыточную энергию, вырабатываемую в периоды пиковой нагрузки солнечной и ветровой энергии, и преобразовывать её в водород для последующего использования как в промышленности, так и даже для сезонного хранения электроэнергии.

«Мы пытаемся разработать электрохимические технологии производства водорода, которые смогут использовать преимущества прерывистого электричества», — сказал Бёттчер.

Бёттчер и его коллеги опубликовали свои выводы 16 октября в журнале Science.

Почему батареи умирают

По словам Бёттчера, деградация полимерных электродов, при которой электроны извлекаются из гидроксид-ионов (ОН− ) для получения газообразного кислорода, происходит, когда сами полимеры теряют часть своих электронов. Эта окислительная деградация является основной проблемой, препятствующей коммерциализации данной технологии электролиза.

По словам Бёттчера, существует два основных типа коммерческих электролизеров. В жидкощелочном электролизе используется горячий едкий раствор, аналогичный используемому в системе Drano для прочистки стоков, в качестве ионопроводящего жидкого электролита, окружающего электроды, и пористого керамического интерфейса, разделяющего водород и кислород. Хотя эти устройства довольно эффективны и масштабируются в Китае, электролит, подобный Drano, затрудняет обслуживание, а керамические сепараторы работают не так хорошо при высокой производительности производства водорода или в условиях прерывистой работы.

Более новой альтернативой является электролизер с протонообменной мембраной, в котором используется органическая полимерная мембрана с кислой ионпроводящей средой, которая выполняет функцию электролита и разделяет кислород и водород.

«Этот электролизер прекрасен, потому что мембрана значительно препятствует смешиванию кислорода и водорода через мембрану», — сказал он. «Можно расположить два электрода очень близко друг к другу и получать водород на одном электроде с высокой эффективностью, кислород — на другом, при этом мембрана служит электролитом — солевым раствором, — но он твёрдый, поэтому нужно подавать в него только чистую воду».

Однако в данном случае проблемой является сильнокислотная среда внутри электролитической ячейки.

«Сильные кислоты растворяют практически все известные нам металлы в условиях окисления — условиях, при которых образуется кислород, что и происходит в этом электролизере», — сказал он. Единственный подходящий электрод изготовлен из дорогостоящего металла иридия, а для электролизеров также требуются так называемые вечные химикаты — фторуглероды, — чтобы обеспечить стабильность полимера.

Новая технология Беттчера, называемая электролизером воды с анионообменной мембраной , сочетает в себе преимущества твердой полимерной мембраны с эффективностью и дешевизной простого едкого или щелочного электролита.

«Можно получить все преимущества одной технологии — щелочной технологии — в плане низких затрат на материалы, а также все преимущества мембранной технологии, включая более низкую стоимость, более высокую безопасность и меньшие затраты на обслуживание, но для этого они должны быть долговечными», — сказал он.

Чтобы решить проблему деградации, Бёттчер сосредоточился на анодном электроде, где происходит окисление, поскольку именно там происходит наибольший ущерб. Положительный заряд электрода оттягивает электроны от молекул полимера, что увеличивает скорость разрушения полимера гидроксид-ионами.

«Одна из причин выхода аккумуляторов из строя — это побочные реакции, подобные этой», — сказал он. «Электроны в материале аккумулятора вступают в реакцию с электролитом, возникают нежелательные побочные реакции, аккумулятор забивается, и он перестаёт работать».

Как работает новая технология

Вдохновленные десятилетиями работы других учёных над улучшением аккумуляторов, Бёттчер и его команда разработали способ защиты полимера от побочных реакций. Это включает в себя смешивание недорогого ингредиента – неорганического полимера оксида циркония – с органическим полимером, проводящим ионы и разделяющим газы. Циркониевые полимеры накапливаются вокруг анодного электрода и создают «пассивирующий» слой, который защищает более чувствительный органический полимер от потери электронов при выделении кислорода.

«Мы добились снижения скорости деградации в сто раз», — сказал он. «Мы ещё не достигли цели (до создания коммерчески жизнеспособного электролизёра), но это, безусловно, самый большой регулятор, который мы нашли для достижения этой цели».

Анод изготавливается путём нанесения катализатора на основе кобальта на стальную проволочную сетку с последующим полным покрытием катализатора и сетки полимерной смесью. Затем добавляется отрицательный электрод, или катод, который притягивает ионы водорода из воды для получения водорода, образуя таким образом сэндвич.

Бёттчер, заведующий кафедрой химического машиностроения имени Теодора Вермюлена, продолжает работу по изучению и улучшению характеристик электродов, а также устранению всех оставшихся режимов деградации.

«Производство, хранение и транспортировка водорода — всё это дорого и сопряжено с множеством сложностей. Но прогресс в этой технологии невероятен», — сказал Бёттчер. «Наступает эра водородного топлива, получаемого электролизом, которое вытеснит ископаемое топливо без субсидий во многих различных областях применения».

Её конек схемы в бизнесе, банковской и финансовой сфере.