Отын ұяшықтары материалдары ғылымындағы жетістіктер

Отын ұяшықтары материалдарын жақсартудағы нанотехнологиялардың рөлі

Наноинженериялық технологиялар арқасында отындық элемент материалдарында үлкен жетістіктерге жетілді. Ғалымдар атом деңгейіндегі құрылымдармен жұмыс істеген кезде, мембраналардағы иондық өткізгіштікті шамамен 15% арттырып, катализатор қабаттарын бұрынғыдан шамамен 40% жұқартуды үлгерді. 2024 жылы Фраунгофер IPT зерттеу институтының жүргізген зерттеуі қызықты нәтиже көрсетті: екіжақты пластиналарға графен тотығын қосу жүйенің шекаралық кедергісін шамамен 27% төмендетеді. Бұл маңызды, себебі бұл жылулықты жүйенің барлық бойына біркелкі таратуға көмектеседі және отындық элементтердің ұзақ уақыт бойы тиімді жұмыс істеуі үшін маңызды болып табылады.

Протон алмасу мембраналарындағы (PEM) жаңалықтар

Гидрокарбон негізіндегі соңғы жаңалықтар фторлау полимерлердің ескі нұсқаларымен салыстырғанда олардың өнімділігіне сай келеді, бірақ олар үстіме бірдеңе әкеледі. Бұл жаңа материалдар химиялық тұрақтылықты үш есе жақсартады, ал олардың бағасы өзінің алдындағы нұсқаларына қарағанда шамамен 30 пайызға арзан. Соңғы кездегі сульфондалған полимерлерді кросс-сілдеу жұмыстары протон алмасу мембраналарын (PEM) әлдеқайда берік етті. Олар құрғақ немесе бұзылмай-ақ 120 градус Цельсийге дейінгі температураны шыдай алады. 2021 жылы ScienceDirect журналында жарияланған зерттеулерге сәйкес, қиын өнеркәсіптік жағдайларда материалдардың бұзылуын шамамен 60 пайызға дейін азайтты. Бұл күнбе-күн қатаң жағдайлармен күресетін зауыт менеджерлері үшін компоненттердің қызмет ету мерзімін ұзарту және жұмыс параметрлерін икемді ету мүмкіндігін білдіреді.

Қатты тотықтық отындық элементтері (SOFC) үшін күрделі электролиттердің дамуы

Инженерлік оттегі-иондық жолдары бар керамикалық нанокомпозиттер 650°C температурада иондық өткізгіштіктің 1,2 С/см мәніне жетеді – бұл ескірген итриймен тұрақтандырылған циркониядан (YSZ) 45% жоғары. Бұл материалдар хром улануын 80% азайтатын қорғаныш шекаралық қабаттарды қамтиды және SOFC қосалқы блоктарының қызмет ету мерзімін 50 000 сағаттан астамға созады. Бұл жетістік жоғары температурада одан әрі берік және тиімді жұмыс істеуді мүмкіндігін береді.

Наноқұрылымды Жұқа Пленкалы Катализаторлар Дәстүрлі Материалдарды Ауыстырады

Атомдық қабатты депозиция арқылы жасалған катализаторлар платина тобының металдарын дәстүрлі ұнтақты катализаторларда кездесетін шамамен 30% деңгейіне қарағанда едәуір жоғары, 90%-дан астам пайдалану мүмкіндігін береді. Нақты материалдарға келер болсақ, никель темір нитридінің жұқа қабаттары да перспективалы болып табылады. Олар оттегіні тотықтыру реакциялары кезінде қымбат платина сияқты өзін-өзі көрсетеді, бірақ оларды өндірудің құны тек шамамен 2% құрайды. Тіпті әлдеқайда таңғажайып нәрсе — олардың қышқылдық ортада 1000 сағаттан астам уақыт бойы тұрақтылығы. Осындай жетістіктерге назар аударғанда, бұрынғы мүмкіндіктермен салыстырғанда әлдеқайда төмен шығындармен қатар ерекше өнімділікті қамтамасыз ететін катализаторлық жүйелерді құруға нақты импульс беріліп отырған сияқты.

Отын элементтеріндегі материалдардың қиындықтары: Тұрақтылық пен өткізгіштіктің арасындағы тепе-теңдік

Жақсы электр өткізгіштікті және тұрақты механикалық беріктікті үйлестірудің оптимальды нүктесін табу осы саладағы ең басты кедергілердің бірі болып табылады. Мысалы, легирленген перовскит катодтарын алайық — олар 750 градус Цельсий шамасында жұмыс істегенде квадрат сантиметрге шаққанда шамамен 2,5 ватт қуат тығыздығына жетеді, бірақ мұнда бір қиындық бар: олар өткізгіштігі төмен материалдармен салыстырғанда шамамен 20 пайызға тезірек бұзылады. Алайда, өткен жылы жарияланған зерттеу градиенттік ыдыс электродтарының қасиеттерін зерттеді. Нәтижелер инженерлер компьютерлік модельдер арқылы ыдыстарды құрған кезде, жылулық кернеуден пайда болатын зақымдануды шамамен екі есе азайта алды деген қорытындыға келді. Осындай тәсіл компоненттердің істен шығуына дейінгі қызмет ету мерзімін айтарлықтай арттыруға көмектесуі мүмкін.

Құны төмен отындық жүйелер үшін платиналы емес катализаторлардағы жаңалықтар

Отындық жүйелердегі құнды төмендету үшін платиналы емес катализаторлардың маңызы қандай

Платинаның құны 2023 жылғы Argonne Ұлттық зертханасының зерттеуі бойынша отындық элементтер стекасын жасауға кететін шығындардың шамамен 40% құрайды, бұл жоғары баға технологияның кеңінен таратылуына шынымен кедергі болып тұр. Темір немесе кобальт сияқты кең таралған металдарға ауысу катализаторлардың құнын 60-75 пайызға дейін төмендетуі мүмкін, бұл кезде нақты энергия өндірудің өзіне едәуір әсер етпейді. Материалдар ғылымы журналдарында жарияланған соңғы зерттеулер қызықты нәрсе көрсетті: қазіргі уақыттағы асыл зат емес металлдардың альтернативалық нұсқалары оттегіні қалпына келтіру реакциясының тиімділігі жағынан платинаға қатты жақындап келеді. Біз 2018 жылы 63 пайыз болған кезде, қазір ол көрсеткіш шамамен 85 пайыз деңгейінде. Мұндай даму Америка Құрама Штаттарының Энергетика министрлігі келесі онжылдықтың соңына таман жүйенің жалпы бағасын әр киловатты 80 доллардан төмендетуді көздеген мақсатына сәйкес келеді.

Көшу Металдарына Негізделген Катализаторлардың Соңғы Жетістіктері

Пиролиз әдісімен жасалған соңғы темір-азот-көміртегі (Fe-N-C) катализаторлары лабораториялық сынақтарда оттегіні тотықтыру реакциясында (ORR) платина деңгейінде бола алады. Дэннің 2023 жылғы зерттеу тобының айтуынша, кобальтты көміртегі наноталшықтарына қосу алдыңғы нұсқаларға қарағанда реакция жылдамдығын шамамен 42% арттыратын үш өлшемді құрылымдар тудырады. Бұл өзгеріс маңызды, себебі өтпелі металдардың басты мәселесі – қайталанатын пайдалану циклдары кезінде тез бұзылуы. Жаңа материалдардың ерекшелігі – жұмыс істеу шарттары өзгерген кезде тұрақтылығын сақтай алуы, өйткені нақты қолданыста жабдықтар үнемі механикалық жүктеме мен температураның тербелістеріне ұшырайды.

Өнімділікті салыстыру: Платина мен Наноқұрылымды Қалыңдықты Катализаторлар

Наноқұрылымдау жеткізбейтін өнімділік айырмашылығын тарылтса да, масштабты таратудың негізгі кедергісі төзімділік болып табылады.

Коммерциялық отындық элементтердегі бағалы емес металл катализаторлардың масштабтау қиындықтары

Жоғары деңгейдегі бағалы емес катализаторларды өндіру үшін дәл пиролиз жағдайлары (900–1100°C) қажет, бұл массалық өндіруді күрделендіреді. 2024 жылғы DOE хабарламасында прототиптік көшу металлы отындық элементтерінің 5000 сағаттан кейін бастапқы тиімділігінің 37%-ын жоғалтатыны, ал платина негізіндегі жүйелерде тек 15% ғана төмендейтіні анықталды. Осы айырмашылықты жою масштабталатын синтез әдістері мен мықты электрод интеграциялау әдістерінің параллель дамуын талап етеді.

Протон алмасу мембранасы мен қатты тотықты отындық элементтерінің құрылымының дамуы

Көлік қолданбалары үшін төмен температуралы PEMFC-дегі тенденциялар

Протон алмасу мембраналық отын элементтері, немесе жиі қолданылатын атауымен PEMFC-тер, температура 80 градус Цельсийден төмен болған кезде де жақсы жұмыс істейді. Сондықтан соңғы кездері автокөлік шығаратын компаниялар оларды көліктерге пайдалануға үлкен қызығушылық білдіріп жатыр. Қазіргі уақытта негізгі назар суықтан қосылуды қалай ұстайтынына және тоңып-таяңдау циклдарын қайталап өткеннен кейін не болатынына аударылуда. Өткен жылы жүргізілген кейбір зерттеулер мембраналық электродтық құрылымның дизайнын жақсарту есебінен өте суық жағдайларда тиімділікті шамамен 40% арттыруға болатынын көрсетті. Сонымен қатар, көптеген тәжірибелік үлгілер қазір PEMFC технологиясын дәстүрлі литий-ионды аккумуляторлармен ұштастырып жатыр. Бұл қосынды эксперименталды сутекті көліктердің толтырудың арасында шамамен 450 миль (724 шақырым) жол жүруге мүмкіндік береді, бұл электр көліктеріне қатысты потенциалды сатып алушылардың ең үлкен түйсігін шешуге үлкен үлес қосады.

Жоғары қуатты тығыздыққа мүмкіндік беретін жұқа, берік мембраналар

Сульфонденген полі(ефір ефір кетон), немесе SPEEK мембраналар қазір өнеркәсіпте үлкен әсер қалдырып отыр. Өткен жылғы ScienceDirect зерттеуіне сәйкес, бұл материалдар 2020 жылы қол жетімді болған нұсқалармен салыстырғанда шамамен 30 пайызға жақсырақ протон өткізгіштігін қамтамасыз етеді және жарты қалыңдықта болады. Автокөлік қолданыстарында мыңдаған сағат бойы тұрақтылығын сақтауы шынымен таңғалдырарлық — 8000-нан астам жүктеме циклін бұзылмай шыдайды. Сонымен қатар, олар сутегінің өту проблемаларын шамамен 22 пайызға қысқартады, яғни жұмыс істеу кезінде туындайтын мәселелер азаяды. Графен тотығымен күшейтілген соңғы нұсқалар одан әрі перспективалы көрінеді және 4,2 ватт/шаршы сантиметрге дейінгі қуат тығыздығына жетуі мүмкін. Бұл дәстүрлі мембраналармен салыстырғанда қозғалтқыштар үшін маңызды көрсеткіштер бойынша шамамен 65 пайызға жақсару болып табылады.

PEMFC конструкциясындағы су басқаруы мен газ таралу қабаттарын оптимизациялау

Соңғы жаңартылған биполярлы пластиналар су тасқынының мәселесін шамамен екі есе азайтатын және оттегіні бетімен біркелкі таратуға көмектесетін 3D басып шығарылған микрожүйелі каналдарды қамтиды. Өтотырғыштарда биомиметикалық фракталды ағын өрістерін қолданған кезде, квадрат сантиметрге 2 ампердегі кернеу шығысы өтотырғыштарда биомиметикалық фракталды ағын өрістерін қолданған кезде, квадрат сантиметрге 2 ампердегі кернеу шығысы шамамен 15 пайызға артты деген қорытындыға келді. Газды таралту қабаттары көміртегі нанотүтікшелерден жасалған фликтен жасалған, олар газ қозғалысы үшін шамамен 90% ашық кеңістікке ие және жазықтық бойынша 0,5 Сименс/см электр өткізгіштігіне ие. Бұл қасиеттер жүйенің ішіндегі электрондарды тиімді қозғалту мен газ алмасудың дұрыс тепе-теңдігін қамтамасыз етеді.

SOFC керамикалық электролиттері мен анодтардағы материалдардың жаңашылдығы

Бүгінгі күннің қатты тотықтық отындық элементтері жиі гадолиниймен легирленген церия электролиттерін біздің бұрын аталған LSCF катодтарымен біріктіреді, осылайша олар тұрақты түрде шамамен 650 градус Цельсийде жұмыс істеуге мүмкіндік алады. Бұл шынымен де елеулі, өйткені 2019 жылдарығы ескі модельдердің дұрыс жұмыс істеуі үшін жақын шамамен 200 градусқа жоғары температура қажет болатын. Анодтың жағына назар аударсақ, зерттеушілер 50 нанометрлік өте кішкентай саңылаулары бар Ni-YSZ композиттерін дамытты, олар да қанағаттанарлықтай жақсы қуат шығысын береді. Өткен жылығы ScienceDirect дереккөзіне сәйкес, метанды отын ретінде пайдаланған кезде 0,7 вольтта 1,2 ватт/см² қуат алуға жеткізген. Көптеген адамдар әлі де гидрокарбондар отын элементтері үшін жақсы емес деп ойлайды, осы ойлағанда нәтижелер қанағаттанарлықтай жақсы.

Наноионика арқылы SOFC жұмыс температурасын төмендету

SOFC электродтарына наноиондық өткізгіш қаптамаларды пайдалану интерфейстік кедергіні шамамен 60 пайызға дейін төмендетеді. Бұл жүйелердің 550 градус Цельсий температурада тиімді жұмыс істеуіне мүмкіндік береді және отынның қолданылу деңгейін 95 пайызға жуық құрайды. Атомдық қабаттық түрде буландыру әдісімен алынған скандиймен тұрақтандырылған цирконий (ScSZ) жұқа пленкалары 500°C температурада 0,1 С/см иондық өткізгіштікке ие болуы мүмкін екенін зерттеушілер анықтаған. MDPI-дің 2023 жылғы соңғы зерттеулеріне сәйкес, бұл көрсеткіш YSZ материалдарының 800°C жоғары температурада қол жеткізетін нәтижесіне тең. Мұндай жетістіктер жүйелерді тез іске қосуды және уақыт өте жылу режимінің өзгерістерін жақсырақ басқаруды мүмкіндік етеді. Ұшақтар мен ауыр көлік құралдарындағы қосымша электр қоректендіру жүйелеріне тәуелді салалар үшін бұл жаңалықтар энергияны тиімді пайдалану бағытындағы маңызды қадам болып табылады.

Отын қозғалтқышы жүйесінің интеграциясы және нақты қолданылуы

Отын қозғалтқышы блоктарында жылулық пен электрлік біркелкілікті тепе-теңдікте ұстау

Элементтердің қабаттары арасындағы температура айырмашылығы 15 градус Цельсийден асқан кезде өткізу қабілеті өткен жылы ScienceDirect жүргізген зерттеу бойынша 12-18 пайызға дейін төмендейді. Сондықтан барлық бойынша температураны тұрақты ұстау өте маңызды. Қазіргі заманғы салқындату шешімдері микроканалды пластиналар мен интеллектуалды термиялық болжау бағдарламасын қолдануды үйлестіре бастады, ол 100-ден астам жеке элементі бар стектермен жұмыс істеген кезде кернеудің тұрақтылығын 92% құрайды. Бұл жақсартулар оттық қозғалтқыш технологиясын кішігірім қолданыстардан тыс кеңейтуге мүмкіндік береді. Үздіксіз қуат қажет ететін үлкен кемелер мен үзіліссіз энергия көзін талап ететін ауыр өндірістік жабдықтар сияқты салаларда нақты потенциалды көріп отырмыз.

Тиімді стационарлық электр энергиясын өндіру үшін гибридті SOFC-Турбина жүйелері

Қатты тотықтық отын элементтері газ турбиналарымен жұптастырылған кезде, электрлік пайдалы әсер коэффициенті шамамен 68-72 пайызға дейін артады. Бұл дәстүрлі турбиналардың жеке жұмыс істегендегі көрсеткішіне қарағанда шамамен 30% жоғары. Мұндағы ерекшелік — турбина шығысында пайда болатын қалдық жылудың барлығын SOFC катодына қайтару арқылы осы гибридті орнатулардың пайдаланылатын энергияның соңғы үлесін де ұстауына көмектеседі. Нақты әлемдегі сынақтар өзі де елеулі нәтиже көрсетті. Жылу мен электр энергиясын өндіру жүйелері көміртек шығарындыларын әлдеқайда азайтты. Дәстүрлі генераторлармен салыстырғанда, әрбір өндірілген мегават үшін осындай CHP конфигурациялары жылдық шығарындыларды шамамен 8,2 метрикалық тоннаға дейін қысқартады. Қазіргі заманғы электр желілері үшін парниктік газдарды азайтудың қаншалықты маңызды екенін ескерсек, осындай гибридті технологиялар электр желілерін таза және тиімді етуге бағытталған жағдайларда нағыз ойындың ережесін өзгерте алатын факторлар болып шыға бастады.

Транспорт пен өнеркәсіптегі шығарындыларды азайтудағы отын элементінің қолданылуы

Отын элементтері енді тек автомобильдерде ғана емес, басқа салаларда да пайда болуда. Өткен жылы ScienceDirect дерекқазынасына сәйкес, жаңадан шығарылған тиелердің шамамен 45 пайызы мен аймақтық пойыздардың шамамен бесінші бөлігі дәстүрлі отындардың орнына сутегімен жұмыс істеуге көшті. Шын мәніндегі ойынды өзгертетін фактор – бұл көмірсозды төмендету өте қиын болып табылатын қиын салаларда болып жатыр. Дүниежүзі бойынша цемент зауыттары мен болат өндіретін фабрикалар өзінің ескі көмір жағатын жүйелерінің орнына үлкен масштабтағы отын элементтерін орнатуға кірісуде. Кейбір алғашқы нәтижелер жаңа орнатылымдар өндіру кезінде шығарындыларды оннан тоғыз бір бірлікке дейін қысқартуы мүмкін екенін көрсетеді. Бұл әсіресе қызықты, себебі бұл отын элементтері жүйесі жағдайлар қиын болған кезде де сенімді жұмыс істей береді, ал өндірушілер өз өнімділігін азайтпай экологиялық әсерін төмендетуге тырысқанда дәл осыны қажет етеді.

Болашақ көзқарас: Инновация мен нарықтық қабылдауды байланыстыру

Отын элементтері материалдары бойынша глобалдық НИО және ИА-мен басқарылатын ашу

Таза энергияның 2024 жылғы бағыттары туралы есеп беруде көрсетілгендей, дүние жүзі жылына 7,2 миллиардтан астам долларды отын элементі технологиясын зерттеуге жұмсайды. Алайда шынымен қызықтысы — машиналық оқыту осы салада өте жылдам өзгерістер енгізіп жатыр. Кейбір зерттеулерде материалдарды ашу үдерісі бұрынғыдан үштен төрт есе жылдам болып жатқаны көрсетілген. Бұл ғалымдардың тұрақты катализаторлар мен мықты электролиттерді бұрынғыдан анағұрлым тез табуына мүмкіндік береді. Есептеу моделдері де үлкен әсер енгізді, бұрын жылдарды қажет еткен жұмысты енді айлармен шектеуге мүмкіндік туғызды. Мысалы, қатты тотықты отын элементін алайық. Жасанды интеллект көмегімен бұл жүйелер 650 градус Цельсийде жұмыс істегенде 92% пайдалы әсер коэффициентіне жетеді, бұл бұрынғы қалыпты температурадан 150 градусқа суық. Мұндай жақсартулар практикалық қолданыста үлкен маңызға ие.

Негізгі кедергілер: Құны, қызмет ету мерзімі және сутек инфрақұрылымының жетіспеушілігі

Инновациялар тез дамып келеді, бірақ осы технологияларды нарыққа шығару әлі де қиын. Платинасыз катализаторлардың мәселесі неде? Олар әдетте нақты протон алмасу мембраналы отын элементтерінде сынақтан өткізілгенде бағалы металдан жасалған катализаторларға қарағанда шамамен 40 пайызға тезірек тозады. Содан кейін сутекті тиімді түрде өндіру мен сақтау мәселесі бар, бұл қазіргі уақытта барлық жиынтық шығындарға жалпы алғанда 18-ден 22 пайызға дейін қосады. Инфрақұрылым тағы да кешігуде. Жоспарланған сутекті толтыру станцияларының ішінде тек жалпы алғанда жедел көліктер мен басқа да ауыр көліктер үшін қажет болатын 700 бар қысу талабын орындайтын жеті пайызы ғана сәйкес келеді. Сонымен қатар, нормативтік актілерді де ұмытпау керек. Қазір дүниежүзі бойынша отын элементтерін сертификаттау үшін тұрақты стандарттар құра алған тек 14 ел бар, бұл өндірушілер үшін елдер бойынша әртүрлі талаптарды реттеу қиын болатындай, көбінесе нарықты бөлшектеп, шатастырады.

Зертханадан нарыққа: коммерциялық мақсаттағы отын элементі жаңашылықтарын кеңейту

Пилоттық жобалар мен толық көлемді өндіріс арасындағы айырмашылықты жою шынымен масштабты өндірудің жолдарын табуға байланысты. Әртүрлі қолданыстарға қажет болатын өте кішкентай наноструктуралы катализаторларды жасау үшін қазіргі уақытта Атомдық Деңгейдегі Бұрышылу (немесе сала да оны жиі қолданылатын ALD) әдісіне үлкен назар аударылуда. Күн сәулесі панельдері үшін алғаш құрылған рулонды-рұқсат ету мембраналық өңдеу әдісі отындық ұяшықтарды өндіру кезінде шығындарды шамамен 33 пайызға дейін қысқартты. Ұлттық зертханалар мен автомобиль өндірушілердің тығыз ынтымақтастығы нақты жылдамдық берді. Олардың бірлескен жұмысы нәтижесінде жаңа протон алмасу мембраналы отын ұяшықтарының жаңа түрлері ауыстыруға дейін шамамен 25 000 сағат жұмыс істеуі мүмкін болды. Бұл 2020 жылғы нұсқалармен салыстырғанда, олардың қызмет ету мерзімі тек шамамен 14 900 сағат болғанын ескерсек, қатты жақсару болып табылады. Мұндай жылдам дамуға байланысты бұл заманауи технологияларды нарыққа шығару енді тек қана мүмкін болумен шектеліп қоймай, біртіндеп нақтылыққа ие болуда.

Жиі қойылатын сұрақтар

Отын элементтерінде нанотехнологияны қолданудың артықшылықтары қандай?

Нанотехнология иондық өткізгіштікті жақсарту, интерфейстік кедергіні азайту және түрткі қабаттарын жұқарту мүмкіндігін беру арқылы отын элементтерінің материалдарын жақсартады, бұл жылу таралуының тиімділігін және жалпы өнімділікті арттырады.

Платинаға негізделмеген түрткілер отын элементтерінің құнын қалай төмендетеді?

Темір немесе кобальт негізіндегі платинаға негізделмеген түрткілер отын элементтерінің құнын катализатор шығындарын 75 пайызға дейін қысқарту арқылы, оттегіні тотықтыру реакцияларында салыстырмалы өнімділікті сақтай отырып, әлдеқайда төмендетеді.

Отын элементтері технологиясын масштабтаудың негізгі қиыншылықтары қандай?

Негізгі қиыншылықтарға материалдардың құны мен беріктігі, сутек инфрақұрылымының тиімсіздігі және коммерциялық отын элементтері қолданбалары үшін бүкіләлемдік стандарттардың және масштабталатын өндірістік процестердің тұрақтылығы қажеттілігі жатады.

Гибридті SOFC-турбина жүйелері тиімділікті қалай арттырады?

Гибридтік SOFC-турбина жүйелері турбина шығарылымынан қалдық жылу пайдаланып, электрлік өнімділікті арттыру арқылы тиімділікті жақсартады және дәстүрлі турбиналармен салыстырғанда едәуір жоғары болатын 72% дейінгі тиімділікке жетеді.

Тотықтырғыш қоректендіру зерттеулерінде AI қандай рөл атқарады?

AI тұрақты катализаторлар мен электролиттерді анықтау үшін қажетті уақытты қысқартып, материалдарды ашу мен дамытуды тездетеді және нәтижесінде практикалық тотықтырғыш қоректендіру қолданбаларындағы тиімділікті және өнімділікті жақсартады.