Будущее активированного углерода в технологиях водородных топливных элементов

Эволюционная роль активированного углерода в технологиях водородных топливных элементов

Активированный уголь уже давно признан за его исключительные адсорбционные свойства и универсальность в различных отраслях промышленности, начиная от очистки воды до фильтрации воздуха. В последнее время его потенциальная роль в продвижении технологий водородных топливных элементов привлекла внимание исследователей и лидеров отрасли. По мере того, как мир ускоряется к декарбонизации, водородные топливные элементы становятся краеугольным камнем чистой энергии - и активированный уголь, по-видимому, готов решать некоторые из самых стойких проблем технологии. В этой статье рассматривается, как активированный уголь интегрируется в системы водородных топливных элементов, от хранения водорода и поддержки катализатора до управления водой и очистки газа, и что будущее держит для этого динамичного материала.

Понимание водородных топливных элементов

Водородные топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, которые преобразуют химическую энергию водорода непосредственно в электричество, с водой и теплом в качестве единственного побочного продукта. В отличие от двигателей на основе сгорания, топливные элементы работают бесшумно и с нулевыми выбросами в точке использования, что делает их привлекательными для транспортировки, стационарной выработки электроэнергии и портативной электроники. Наиболее распространенным типом является протонно-обменный топливный элемент (PEM), который работает при относительно низких температурах (60-80 ° C) и использует твердую полимерную мембрану в качестве электролита. Другие типы включают твердые оксидные топливные элементы (SOFC), которые работают при высоких температурах (800-1000° C) и могут реформировать углеводородное топливо внутри, и щелочные топливные элементы, которые использовались в ранних космических миссиях.

В топливном элементе PEM газообразный водород поступает в анод, где катализатор (как правило, платина) расщепляет молекулы водорода на протоны и электроны. Протоны перемещаются через мембрану на катод, в то время как электроны текут через внешнюю цепь, генерируя электричество. На катоде кислород из воздуха соединяется с протонами и электронами для образования воды. Эффективность этого процесса в значительной степени зависит от качества водородного топлива, производительности катализатора и управления водой и теплом внутри клетки. Многие из этих факторов можно улучшить, интегрируя активированный уголь в ключевые компоненты.

Активированный углерод: свойства и производство

Активированный уголь представляет собой высокопористую форму углерода, обработанного с обширной внутренней площадью поверхности — обычно от 500 до 2000 м2 на грамм. Эта пористость возникает из контролируемого процесса активации, который создает микропоры (поры менее 2 нм), мезопоры (2-50 нм) и макропоры (> 50 нм). Сырье разнообразно: кокосовые оболочки, древесина, уголь, торф и даже сельскохозяйственные отходы могут быть карбонизированы, а затем активированы с использованием физических методов (пар или CO2 при высоких температурах) или химических методов (с использованием агентов, таких как фосфорная кислота или гидроксид калия). Выбор прекурсора и метода активации определяет распределение размера пор и химию поверхности, которые, в свою очередь, влияют на адсорбционное поведение материала.

Для применений водородных топливных элементов ключевые свойства активированного угля включают высокую удельную площадь поверхности, настраиваемую структуру пор, электрическую проводимость (при графитировании) и химическую стабильность в условиях топливных элементов. Кроме того, поверхность может быть функционализирована с помощью гетероатомов (например, азота, кислорода, серы) или металлов для усиления взаимодействия с молекулами водорода или каталитических видов. Эти особенности делают активированный уголь универсальной платформой для решения многочисленных проблем в технологии топливных элементов.

Роль активированного углерода в водородных топливных элементах

Интеграция активированного угля в системы водородных топливных элементов охватывает несколько критических областей, каждая из которых имеет свой собственный набор требований и возможностей. Ниже мы рассмотрим четыре ключевые роли: хранение водорода, поддержка катализаторов, управление водными ресурсами и очистка газа.

Хранение водорода

Одним из наиболее существенных барьеров для широкого внедрения транспортных средств на водородных топливных элементах является задача безопасного и компактного хранения водорода. Водород имеет очень низкую объемную плотность энергии в условиях окружающей среды, поэтому его необходимо сжимать до высоких давлений (350-700 бар) или криогенно охлаждать до -253 ° C (жидкий водород) для достижения практических диапазонов движения. Оба подхода имеют недостатки: резервуары высокого давления тяжелые и дорогие, в то время как сжижение потребляет до 30% энергетического содержания водорода. Активированный уголь предлагает многообещающую альтернативу посредством физизорбции - физической адсорбции молекул водорода на стенки пор через слабые силы Ван-дер-Ваальса.

При криогенных температурах (обычно -196 ° C, температура жидкого азота), активированный уголь может хранить водород с гравиметрической плотностью 4-6 мас.%, а некоторые специально разработанные углероды приблизились к 8 мас.%. Хотя это все еще ниже конечной цели Министерства энергетики США 6,5 мас.% для системного хранения, исследования продолжаются для повышения емкости за счет разработки пор и допинга. Например, легированные азотом активированные уголь показали повышенную энергию связывания водорода, в то время как шаблонные углероды с однородными микропорами могут максимизировать взаимодействие между молекулами водорода и стенками пор. Кроме того, использование активированного углерода в «крио-сжатых» системах - где водород хранится при умеренном давлении и низкой температуре - может уменьшить энергетический штраф сжижения при увеличении плотности хранения. Пористый углерод действует как тепловой буфер и может помочь адсорбировать молекулы водорода при более низких давлениях, потенциально позволяя более простые и безопасные конструкции резервуара.

Помимо транспортировки, хранение водорода на основе активированного угля может принести пользу стационарным приложениям питания, где вес менее важен, но стоимость и безопасность имеют первостепенное значение. Например, резервные системы питания для центров обработки данных или накопители энергии в масштабе сети могут использовать резервуары с активированным углем для хранения водорода, произведенного из возобновляемой электроэнергии в периоды избыточной генерации, а затем выпускать его на топливные элементы, когда спрос высок.

Поддержка Catalyst

Платина остается эталонным катализатором как реакции восстановления кислорода (ORR) на катоде, так и реакции окисления водорода (HOR) на аноде топливных элементов PEM. Однако платина является редкой и дорогой, что составляет значительную часть затрат на стек топливных элементов. Для минимизации загрузки платины при сохранении производительности металл обычно рассеивается в виде наночастиц на проводящем материале поддержки. Активированный углерод - и особенно углеродные черные слои на поверхности, углеродные нанотрубки и графен - служит отличной поддержкой, поскольку он обеспечивает большую площадь поверхности для закрепления частиц платины, облегчает транспорт электронов и помогает стабилизировать катализатор против агломерации и коррозии.

Взаимодействие платиновых наночастиц и поддержки углерода имеет решающее значение. Активированный углерод с высокой степенью графитизации и контролируемой пористости может повысить долговечность катализатора в кислых, влажных и окислительных условиях внутри топливного элемента. Например, углеродные опоры могут быть обработаны азотными или кислородными функциональными группами для более сильного закрепления платиновых частиц, уменьшая миграцию и созревание Оствальда в течение тысяч рабочих часов. Кроме того, исследователи разработали углеродные опоры с иерархической пористостью - микропористые ядра для массового транспорта и мезопорные каналы для доступа к электролиту - для улучшения как активности, так и долговечности. В некоторых продвинутых конструкциях поддержка активированного угля сама легируется переходными металлами (такими как железо или кобальт) для создания недрагоценных металлических катализаторов, которые могут приблизиться к активности платины для ORR, потенциально устраняя необходимость в платине вообще.

Выбор прекурсора активированного угля также влияет на производительность катализатора. Например, активированный уголь, полученный из биомассы (например, кокосовые оболочки или сахарный тростник), часто содержит присущие гетероатомы, которые могут усиливать каталитическую активность при пиролизе при высоких температурах. Эти «биопроизводные» углероды предлагают недорогую, устойчивую альтернативу обычным углеродным черным, и они продемонстрировали конкурентные характеристики в испытаниях топливных элементов.

Управление водными ресурсами

Управление водными ресурсами является постоянной проблемой в топливных элементах PEM. Обменная мембрана протона должна оставаться гидратированной для поддержания высокой ионной проводимости, но избыток воды может затопить слои диффузии газа и слои катализатора, блокируя транспорт реагентных газов (водород и кислород) и снижая производительность клеток. И наоборот, слишком мало воды может высушить мембрану, увеличивая сопротивление и приводя к образованию пинхолов. Активированный уголь в виде инженерных слоев диффузии газа или микропористых слоев может помочь регулировать распределение воды.

Приспособив гидрофильность и гидрофобность покрытий с активированным углем, исследователи могут создавать пути, которые отводят воду от катода, все еще позволяя газу достигать катализатора. Например, добавление тонкого микропористого слоя активированного угля с контролируемым количеством фторполимера (например, PTFE) может создать гидрофобный барьер, который предотвращает затопление, в то время как пористая структура углерода обеспечивает капиллярные каналы для удаления жидкой воды. Некоторые исследования также исследовали использование активированного угля в качестве среды хранения воды в катоде, поглощая избыток воды во время операции с высокой влажностью и высвобождая его в сухие периоды для поддержания гидратации мембран. Этот подход «самоувлажнения» может упростить конструкции системы топливных элементов за счет уменьшения или устранения необходимости в внешних увлажнителях.

В дополнение к управлению водой, активированный уголь может обеспечить структурную целостность мембранного электрода (MEA). При использовании в качестве связующего или в качестве компонента слоя катализатора он улучшает электронную связь и механическую прочность электрода, что особенно важно при циклических тепловых и механических напряжениях запуска и отключения.

Очистка газа

Водород, образующийся при паровом метановом реформировании или электролизе, часто содержит примеси, такие как окись углерода (CO), диоксид углерода (CO2), сероводород (H2S) и аммиак (NH3). Даже следовые количества CO могут отравлять платиновые катализаторы, снижая эффективность топливных элементов и срок службы. Активированные угольные фильтры широко используются для очистки потоков подачи водорода путем адсорбции этих загрязнителей. Высокая площадь поверхности и настраиваемая поровая структура активированного угля позволяют ему захватывать CO и H2S даже при очень низких концентрациях. Для протонно-обменных мембранных топливных элементов небольшой слой активированного угля (часто пропитанный металлами или промоторами) может быть помещен вверх по течению от стека топливных элементов для поддержания здоровья катализатора.

В интегрированных системах тот же материал активированного угля, используемый для хранения или поддержки катализатора, также может служить в качестве среды очистки. Например, резервуар для хранения водорода, заполненный активированным углем, может хранить топливо и удалять примеси, которые могли накапливаться во время езды на велосипеде. Эта двойная функциональность упрощает конструкцию системы и уменьшает общий объем материала - значительное преимущество для портативных или автомобильных приложений.

Будущие перспективы и вызовы

Перспективы использования активированного угля в водородных топливных элементах являются яркими, но остаются значительные проблемы. Хотя лабораторные демонстрации показали многообещающие результаты, перевод их в коммерчески жизнеспособные продукты требует расширения производства, обеспечения согласованности и достижения целевых показателей затрат, которые могут конкурировать с существующими технологиями.

Исследования и разработки

Текущие исследования сосредоточены на нескольких фронтах для оптимизации применения активированного угля для топливных элементов. Одним из перспективных направлений является разработка гибридов «активированного углерода — металлической органической основы» (AC-MOF), где четко определенные поры MOF сочетаются с механической прочностью и проводимостью активированного угля. Эти композиты могут обеспечить более высокие возможности хранения водорода (приблизительно 10-12 мас.% при криогенной температуре) при сохранении разумной стабильности цикла. Другая область — использование допинга in situ во время активации для введения атомов азота, бора или фосфора в углеродную решетку, что, как было показано, увеличивает энергию связывания для адсорбции водорода и улучшает электрокаталитическую активность для ORR. Достижения в методах характеристики — таких как in situ рамановская спектроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и рассеяние нейтронов — обеспечивают более глубокое понимание того, как водород взаимодействует с углеродными поверхностями в атомном масштабе.

Машинное обучение и вычислительное моделирование также играют растущую роль. Проверяя тысячи гипотетических углеродных структур с различными размерами пор, функциональными возможностями поверхности и допантами гетероатома, исследователи могут определить наиболее перспективные кандидаты на хранение водорода или поддержку катализатора, прежде чем совершить синтез. Этот ускоренный процесс обнаружения может значительно сократить цикл разработки от лаборатории до рынка.

Последствия для промышленности

Для отраслей, занимающихся производством топливных элементов и хранением водорода, активированный уголь предлагает путь к снижению затрат и повышению устойчивости. Одна из непосредственных возможностей заключается в производстве катализаторов, свободных от металлов платиновой группы (PGM). Если опоры активированного угля, легированные недрагоценными металлами, могут достичь плотности мощности, сопоставимой с катализаторами на основе платины, затраты на стек топливных элементов могут снизиться на 50% или более, что сделает электромобили на топливных элементах (FCEV) более конкурентоспособными с электромобилями на аккумуляторах и транспортными средствами внутреннего сгорания. Несколько стартапов и исследовательских консорциумов уже пилотируют такие катализаторы в прототипных стеках.

Еще одним следствием отрасли является потенциал круговой экономики. Активированный уголь может быть получен из биомассы отходов, такой как кокосовые оболочки, ореховая шелуха или даже осадок сточных вод, что уменьшает углеродный след самого материала. Кроме того, отработанный активированный уголь из топливных элементов может потенциально быть регенерирован или перепрофилирован для других применений (например, фильтрация воды), что еще больше улучшает экономику жизненного цикла. Масштабируемость производства активированного угля на основе биомассы хорошо известна в других отраслях, поэтому цепочка поставок материалов топливного класса должна быть в состоянии нарастить вместе со спросом.

Однако проблемы остаются. Адсорбционная способность активированных углей тока для водорода при температуре окружающей среды по-прежнему слишком низка для практического использования (обычно менее 1 мас.% при 25°C и 100 бар), что ограничивает его применение для криогенного или умеренного давления хранения. Кроме того, долгосрочная стабильность опор активированного угля в суровой среде топливных элементов - особенно при циклическом напряжении и влажных условиях - нуждается в дальнейшем улучшении. Коррозия опор углерода на катоде, особенно во время событий запуска / выключения, может привести к отслоению катализатора и потере производительности. Покрытие опор углерода тонкими слоями проводящих полимеров или оксидов металлов исследуется для смягчения этой проблемы при сохранении высокой площади поверхности.

Заключение

Будущее активированного угля в технологиях водородных топливных элементов многогранно и перспективно. От повышения плотности хранения водорода до обеспечения более дешевых, более прочных катализаторов и от балансировки управления водой до очистки топлива активированный уголь затрагивает почти каждый критический аспект производительности топливных элементов. Уникальное сочетание высокой площади поверхности, настраиваемой пористости, электропроводности и химической гибкости материала делает его универсальной платформой для инноваций. Продолжение исследований и сотрудничество между учеными, инженерами и заинтересованными сторонами отрасли будет иметь важное значение для преодоления оставшихся препятствий, особенно в хранении при температуре окружающей среды и долгосрочной долговечности поддержки. Поскольку эти проблемы решаются, активированный уголь, вероятно, будет играть все более центральную роль в глобальном переходе на водородную чистую энергию.

Для тех, кто заинтересован в более глубоком чтении, Управление по технологиям водородных и топливных элементов Министерства энергетики США предоставляет всеобъемлющие обзоры целей хранения и текущего прогресса. Журнал Углерод Часто публикует исследования новых углеродных материалов для энергетических применений, а недавние обзоры в Передовые материалы и Природная энергия рассмотрели пересечение пористых углеродов и электрокатализатора. Кроме того, отраслевые группы, такие как Fuel Cell & Hydrogen Energy Association предлагают обновления о тенденциях коммерциализации и политических разработках. По мере того, как мир ускоряется к декарбонизации, активированный уголь готов помочь обеспечить водородную экономику.