Япония и Калифорния активно внедряют технологии водородных топливных элементов — возобновляемый источник энергии, который можно использовать в транспортных средствах и для обеспечения экологически чистой энергией производственных секторов. Однако эта технология остается дорогостоящей из-за зависимости от драгоценных металлов, таких как платина. Инженеры Вашингтонского университета в Сент-Луисе работают над решением этой проблемы, пытаясь найти способы стабилизации широко распространенных железных компонентов для использования в топливных элементах, чтобы заменить дорогостоящие платиновые металлы, что сделает водородные автомобили более доступными.

Проблемы, связанные с затратами на автомобили на топливных элементах

« Водородные топливные элементы успешно коммерциализированы в Японии и Калифорнии в США, — сказал Ган Ву, профессор энергетики, экологии и химической инженерии в Инженерной школе Маккелви. — Но этим транспортным средствам трудно конкурировать с электромобилями и автомобилями с двигателями внутреннего сгорания, причем основной проблемой является стоимость».

По его оценкам, типичный автомобиль с бензиновым двигателем стоимостью 30 000 долларов может стоить 70 000 долларов в варианте с топливными элементами. Платиновые катализаторы являются самым дорогим компонентом, на их долю приходится около 45% от общей стоимости топливных элементов. Примечательно, что драгоценный металл в топливных элементах не может извлечь выгоду из эффекта масштаба, а значительный рост спроса на энергетические системы на основе топливных элементов еще больше повышает и без того высокую цену платины.

Стабилизирующие железные катализаторы

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Catalysis, Ву и его команда описали, как они стабилизируют железные катализаторы для использования в топливных элементах, что позволит снизить затраты на транспортные средства на топливных элементах и ​​другие нишевые области применения, такие как низковысотная авиация и центры обработки данных в сфере искусственного интеллекта.

Водородные топливные элементы работают на основе водорода и кислорода, двух составляющих воды, и вырабатывают электроэнергию с нулевым уровнем выбросов. С помощью катализатора эти два элемента производят воду, электричество и тепло до тех пор, пока не закончится запас водорода в баке, а кислород поступает из неограниченного количества воздуха. Заправлять свои водородные автомобили можно на крупных станциях, подобно тому, как на одной центральной станции заправляются школьные автобусы, поэтому проблема с заправочной инфраструктурой легко решается. Это чистая энергия, но драгоценные металлы, используемые в автомобиле, могут значительно увеличить общую стоимость, что препятствует его широкому распространению.

Вопросы эффективности и инфраструктуры

Согласно данным Института исследований окружающей среды и энергетики, топливные элементы способны извлекать более 60% энергии топлива, в то время как двигатели внутреннего сгорания извлекают менее 20% энергии бензина. Эффективность может достигать 85%, если тепло, выделяемое топливным элементом, также используется для выработки электроэнергии.

В отличие от электромобилей, работающих на аккумуляторных батареях, люди не могут заряжать автомобили на топливных элементах, используя собственные источники электроэнергии. Поэтому для развития этой экологически чистой технологии необходима доступная и легкодоступная инфраструктура для заправки водородом. Использование доступных и недорогих железных катализаторов значительно снизило бы эти затраты. Но сначала исследователям необходимо сделать железо более стабильным, чтобы оно могло выдерживать химические реакции, происходящие в топливных элементах.

Как работает новый каталитический метод

Ву и его команда добились этого, создав химический пар газов, способный стабилизировать железные катализаторы во время термической активации. Это инновационный подход, позволяющий значительно повысить стабильность катализаторов при сохранении их достаточной активности в топливных элементах с протонно-обменной мембраной (PEMFC). В результате значительно повысилась долговечность железных катализаторов, а также увеличилась плотность энергии и срок службы.

Команда выбрала топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC) среди различных типов топлива, потому что они лучше всего подходят для большегрузных автомобилей, таких как грузовики, автобусы и строительная техника — транспортных средств, которые уже используют централизованные заправочные станции. Наиболее экономичным и эффективным вариантом является первоначальное внедрение этой технологии в парки большегрузных автомобилей, что позволит еще больше снизить затраты по мере ее широкого распространения и достижения большей эффективности за счет масштаба производства.

«После десятилетий нестабильности мы наконец-то смогли решить эту критическую проблему», — сказал Ву, пояснив, что следующие шаги будут включать дальнейшее совершенствование процессов для создания железных катализаторов, которые будут еще лучше, чем драгоценные металлы, для топливных элементов будущего.