Pažangos kuro elementų medžiagų moksle

Nanotechnologijų vaidmuo kuro elementų medžiagų tobulinime

Kuro elementų medžiagos patiria didelius pagerinimus dėka nanotechnologijų inžinerijos metodų. Kai mokslininkai dirba su struktūromis atomo lygmenyje, jiems pavyksta padidinti joninę laidumą membranose apie 15 %, tuo pačiu padarant katalizatorių sluoksnius apie 40 % plonesnius nei anksčiau buvo įmanoma. Naujausi 2024 metais atlikti Fraunhofer IPT tyrimai taip pat parodė kažką įdomaus: pridedant grafeno oksidą prie dvipolių plokščių, tarpfazinė varža sumažėja apie 27 %. Tai svarbu, nes padeda geriau pasiskirstyti šilumai visoje sistemoje, kas yra esminis veiksnys, užtikrinantis kuro elementų efektyvų ilgalaikį veikimą.

Protonų keitimo membranų (PEM) inovacijos

Naujausios angliavandeniliais pagrįstos membranos neatsilieka nuo senųjų fluoruotų polimerų variantų, kai kalbama apie našumą, tačiau jos siūlo kažką papildomo. Šios naujos medžiagos taip pat demonstruoja apie tris kartus geresnę cheminę stabilumą, vis tiek kainuodamos maždaug 30 procentų mažiau nei jų pirmtakės. Naujausi tyrimai dėl susikertančių sulfonuotų polimerų padarė protonų keitimo membranas (PEM) žymiai atsparesnes. Jos gali išlaikyti temperatūras iki 120 laipsnių Celsijaus, nesidžiovindamos ir nesiskaldydamos. Pagal 2021 m. „ScienceDirect“ paskelbtus tyrimus, šios naujovės sumažino medžiagų degradaciją sunkiomis pramoninėmis sąlygomis maždaug 60 procentų. Tai reiškia ilgiau tarnaujančias dalis ir lankstesnius eksploatacinius parametrus gamyklos vadovams, kasdien susiduriantiems su sudėtingomis sąlygomis.

Pažangių elektrolitų kietojo oksido kuro elementams (SOFC) kūrimas

Inžinerinių deguonies jonų takų turintys keraminiai nanokompozitai pasiekia joninę laidumą 1,2 S/cm esant 650 °C – 45 % didesnę nei tradicinė itrio stabilizuota cirkonio oksido (YSZ) medžiaga. Šios medžiagos apima apsaugines tarpfazines sluoksnius, kurie 80 % sumažina chromo apsinuodijimą, pailgindami SOFC blokų tarnavimo laiką virš 50 000 valandų. Šis progresas leidžia ilgesnį ir efektyvesnį aukštoje temperatūroje veikimą.

Naujos struktūros plonųjų sluoksnių katalizatoriai, keičiantys tradicines medžiagas

Katalizatoriai, gaminami naudojant atominio sluoksnio depositavimą, gali panaudoti platino grupės metalus efektyvumu, viršijančiu 90 %, kas yra žymiai geriau nei apie 30 %, pasiekiamas tradicinių miltelių pagrindu pagamintų katalizatorių. Kalbant apie faktines medžiagas, pažangą rodo taip pat nikelio geležies nitrido plonieji sluoksniai. Jie veikia panašiai kaip brangus platinas deguonies redukcijos reakcijose, tačiau jų gamyba kainuoja tik apie 2 % nuo platino kainos. Dar įspūdingesnė yra jų stabilumas, kuris rūgštinėse aplinkose trunka gerokai ilgiau nei 1000 valandų. Atsižvelgiant į šiuos pasiekimus, matyti tikras judėjimas link katalizinės sistemų kūrimo, kurios užtikrina išskirtinį našumą ir kartu žymiai sumažina sąnaudas lyginant su tuo, kas buvo įmanoma anksčiau.

Medžiagų iššūkiai kuro elementuose: ilgaamžiškumo ir laidumo kompromisas

Geros elektros laidumo ir ilgalaikės mechaninės stiprybės dermė iki šiol yra viena didžiausių kliūčių šioje srityje. Paimkime legiruotus perovskito katodus – šie elementai gali pasiekti galios tankį apie 2,5 vatus kvadratiniame centimetre, veikiant temperatūroje apie 750 laipsnių Celsijaus, tačiau yra viena problema – jie susidėvi maždaug 20 procentų greičiau lyginant su mažiau laidžiais medžiagomis. Vis dėlto, praeitais metais paskelbtas tyrimas, nagrinėjęs gradientinės poringumo elektrodų elgseną, parodė, kad projektuojant poras kompiuteriniais modeliais inžinieriams pavyko beveik dvigubai sumažinti šiluminio streso pažeidimus. Tokia metodika atrodo labai perspektyvi komponentų tarnavimo laikui pailginant.

Proveržiai neplatininiuose katalizatoriuose nebrangiems degalų elementams

Kodėl neplatininiai katalizatoriai yra būtini degalų elementų sistemų kainos mažinimui

Pagal 2023 m. Argonne nacionalinės laboratorijos tyrimus, platinos kaina sudaro apie 40 % sąnaudų, reikalingų sukurti kuro elemento bloką, ir ši aukšta kaina iš tikrųjų stabdo technologijos plitesį. Pereinant prie dažnesnių metalų, tokių kaip geležis ar kobaltas, katalizatorių sąnaudos galėtų sumažėti nuo 60 iki 75 procentų, beveik neprarandant faktinės energijos gamybos efektyvumo. Naujausi medžiagų mokslų žurnaluose publikuoti tyrimai taip pat parodo kažką įdomaus: šių dienų neturtingųjų metalų alternatyvos jau labai artimos platinai, kai kalbama apie deguonies redukcijos reakcijos efektyvumą. Kalbame apie maždaug 85 %, palyginti su tik 63 % 2018 m. Toks pažangumas atitinka tai, ko norėtų pasiekti Jungtinių Amerikos Valstijų energetikos departamentas, siekiant sumažinti bendras sistemos kainas iki mažiau nei 80 JAV dolerių už kilovatą kitos dešimtmečio pabaigoje.

Naujausi pasiekimai pereinamųjų metalų katalizatoriuose

Paskutiniai geležies, azoto ir anglies (Fe-N-C) katalizatoriai, pagaminti pirolizės būdu, iš tiesų gali konkuruoti su platinu atsižvelgiant į deguonies redukcijos reakcijos (ORR) našumą laboratoriniuose tyrimuose. Mokslininkai nustatė, kad kobaltas, pridėtas prie anglies nanoplaukštelių, sukuria šias 3D struktūras, kurios, pagal Deng komandos 2023 m. duomenis, padidina reakcijos greitį apie 42 % lyginant su ankstesnėmis versijomis. Tai yra gana svarbu, nes viena pagrindinių pereinamųjų metalų problemų visada buvo jų skilimas po pakartotinio naudojimo ciklų. Šie nauji medžiagai išsiskiria tuo, kad geba išlaikyti stabilumą net esant kintantiems sąlygoms, kas yra labai svarbu praktinėms aplikacijoms, kur įranga patiria nuolatinę apkrovą ir temperatūros svyravimus.

Našumo palyginimas: Platina prieš nanostruktūrinius plonasluoksnius katalizatorius

Nors nanostruktūrizavimas sumažina našumo skirtumą, ilgaamžiškumas iki šiol yra pagrindinė kliūtis didelio masto diegimui.

Neblogiųjų metalų katalizatorių mastelio keitimasis komerciniuose kuro elementuose

Sudėtingų neblogojo metalo katalizatorių gamybai reikalingos tiksliai nustatytos pirolizės sąlygos (900–1100 °C), kas komplikuoja masinę gamybą. 2024 m. DOE ataskaita parodė, kad pereinamųjų metalų kuro elementų prototipai po 5 000 valandų praranda 37 % pradinio efektyvumo, palyginti su tik 15 % blogėjimu platinos pagrindu veikiančiose sistemose. Šį skirtumą galima užpildyti tik lygiagrečiai tobulinant mastelio keitimo sintezės metodus ir patikimus elektrodų integravimo būdus.

Protonų apykaitos membranos ir kietojo oksido kuro elementų konstrukcijos raida

Mažos temperatūros PEMFC tendencijos transporto srities taikymuose

Protonų keitimo membranos kuro elementai, arba kaip jie dažnai vadinami PEMFC, veikia gana gerai net tada, kai temperatūra nukrenta žemiau 80 laipsnių Celsijaus. Dėl to pastaruoju metu automobilių gamintojai labai domisi jų naudojimu transporto priemonėse. Šiuo metu dėmesys skiriamas tam, kaip šie kuro elementai susidoroja su šaltu paleidimu ir kas vyksta po pakartotinių užšalimo bei atšilimo ciklų. Praėjusiais metais atlikti tyrimai parodė, kad membraninio elektrodų bloko konstrukcijos patobulinimai galėtų padidinti efektyvumą apie 40 % esant labai šaltoms sąlygoms. Tuo pat metu daugelis prototipų dabar derina PEMFC technologiją su tradicinėmis litio jonų baterijomis. Ši kombinacija leidžia eksperimentiniams vandenilio automobiliams nuvažiuoti apie 725 km (450 mylių) be papildomo kuro įpylimo, kas ženkliai prisideda prie vienos iš pagrindinių potencialių pirkėjų abejonių dėl elektrinių automobilių sprendimo.

Plonesnės, ilgaamžiškesnės membranos, leidžiančios pasiekti didesnį galios tankį

Sulfonuotas poli(etero etero ketonas), arba SPEEK membranos, šiuo metu sukuria audrą pramonėje. Šios medžiagos užtikrina apie 30 procentų geresnę protonų laidumą, be to, yra dvigubai plonesnės nei 2020 m. buvusios pagal paskutinių metų ScienceDirect tyrimus. Tikrai įspūdinga, kad jos išlaiko stabilumą tūkstančius valandų automobilių taikymuose, išgyvena daugiau nei 8 000 apkrovos ciklų nesibaigdamos. Be to, jos sumažina vandenilio perėjimą maždaug 22 procentais, kas reiškia mažiau problemų eksploatacijos metu. Naujausios versijos, sustiprintos grafito oksidu, atrodo dar pažadėjančiau, potencialiai pasiekiant 4,2 vatų galios tankį kvadratiniame centimetre. Tai būtų gana didelis žingsnis pirmyn lyginant su tradicinėmis membranomis – apie 65 procentų pagerėjimas našumo rodikliuose, kurie labiausiai rūpi gamintojams, siekiant efektyvumo augimo.

Vandens valdymo ir dujų difuzijos sluoksnių optimizavimas PEMFC konstrukcijoje

Naujausios dvipolių plokščių versijos dabar apima 3D spausdinamus mikroskaidrovo kanalus, kurie sumažina vandens užtvindymo problemas maždaug du kartus ir padeda vienodai paskirstyti deguonį per visą paviršių. Mokslininkai nustatė, kad naudojant biomimetinius fraktalinius srautų laukus, įtampos išvestis padidėjo apie 15 procentų esant 2 amperams viename kvadratiniame centimetre, kaip nurodyta praeitais metais publikuotame tyrime. Iš anglies nanovadelių vilnos pagamintos dujų difuzijos sluoksniai taip pat pasižymi įspūdingomis savybėmis – jie turi apytikriai 90 % atviros erdvės dujų judėjimui ir laiduoja elektrą 0,5 simensų viename centimetre palei plokštumą. Šios savybės sukuria tinkamą pusiausvyrą tarp efektyvaus elektronų perkėlimo ir tinkamo dujų transportavimo sistemoje.

Medžiagų inovacijos SOFC keramikos elektrolituose ir anoduose

Šiandienos stipriosios oksido kuro elementų blokai dažnai sujungia gadolinio legiruotus cerno elektrolitus su anksčiau minėtais LSCF katodais, leidžiantys jiems stabiliai veikti apie 650 laipsnių Celsijaus. Iš tikrųjų tai yra gana įspūdinga, nes senesnėms 2019 m. modeliams tinkamam veikimui reikėjo beveik 200 laipsnių aukštesnės temperatūros. Apžvelgiant anodo pusę, tyrėjai sukūrė šiuos Ni-YSZ kompozitus su mažomis 50 nanometrų skylėmis, kurie taip pat užtikrina gana neblogą galios išvestį. Pagal praeitų metų ScienceDirect duomenis, naudojant metano kurą pavyko pasiekti 1,2 vato kvadratiniam centimetrui ties vos 0,7 volto. Gana neblogi rezultatai, atsižvelgiant į tai, kad daugelis žmonių vis dar mano, jog angliavandeniliai nėra tinkami kuro elementams.

SOFC veikimo temperatūros žeminimas naudojant nanojoniką

Taikant nanojoninių laidininkų danga SOFC elektrodams, sąsajos varža sumažėja apie 60 procentų. Tai leidžia šiems sistemoms efektyviai veikti esant tik 550 laipsnių Celsijaus temperatūrai, išlaikant įspūdingą kuro naudojimo efektyvumą – apie 95 %. Naujausi 2023 metų MDPI tyrimai parodė, kad atominio sluoksnio depositavimo (angl. atomic layer deposition) metodais sukuriami skandija stabilizuoto cirkonio (ScSZ) plonieji sluoksniai gali pasiekti joninę laidumą 0,1 S/cm esant temperatūrai, kuri siekia vos 500 °C, kas yra palyginama su YSZ laidumu, pasiekiamu žymiai aukštesnėje temperatūroje – apie 800 °C. Tokios pažangos reiškia greitesnį paleidimą ir geresnį temperatūrinių pokyčių valdymą laikui bėgant. Pramonės šakoms, kurios priklauso nuo pagalbinių energijos vienetų lėktuvuose ir sunkiose transporto priemonėse, šie patobulinimai reiškia svarbią žingsnį efektyvesnių energijos sprendimų link.

Kuro elementų sistemų integracija ir praktinės taikymo sritys

Šiluminės ir elektrinės vientisumo pusiausvyros užtikrinimas kuro elementų blokuose

Kai temperatūrų skirtumas tarp sluoksnių viršija 15 laipsnių Celsijaus, efektyvumas, pagal praėjusiais metais paskelbtą „ScienceDirect“ tyrimą, sumažėja nuo 12 iki 18 procentų. Dėl to yra labai svarbu išlaikyti pastovią temperatūrą visoje sistemų eilėje. Šiuolaikinės aušinimo sistemos pradėjo derinti mikrokanalų plokštes su protinga šilumos prognozavimo programine įranga, dėl ko net ir su daugiau nei 100 atskirų elementų turinčiomis sistemų eilėmis pasiekiama apie 92 % stabili įtampa. Šios naujovės atveria duris kuro elementų technologijos plėtimui už mažesniųjų taikymų ribų. Matome tikrą potencialą tokiose srityse kaip dideli laivai, reikalaujantys nuolatinės energijos tiekimo, bei sunkioji gamybos įranga, kuriai būtinas patikimas ir nenutrūkstamas energijos šaltinis.

Hibridinės SOFC–turbinos sistemos efektyviai stacionariai energijos gamybai

Kai kietojo oksido kuro elementai sujungiami su dujų turbinomis, jie iš tikrųjų padidina elektros energijos naudingumo koeficientą iki apie 68–72 procentų. Tai maždaug 30 % geresnis rodiklis nei įprastinės atskirai veikiančios turbinos. Esminė idėja čia yra panaudoti visą perteklinę šilumą iš turbinos išmetamųjų dujų ir grąžinti ją atgal į SOFC katodą, kas padeda šioms hibridinėms sistemoms panaudoti kiekvieną galimą energijos dalį. Realiose bandymų sąlygose buvo pastebėti itin įspūdingi rezultatai. Šilumos ir elektros energijos gamybos sistemos ženkliai sumažina anglies emisijas. Kiekvienam pagamintam megavatui šios CHP konfigūracijos kasmet sumažina emisijas maždaug 8,2 metrinės tonos, palyginti su tradiciniais generatoriais. Atsižvelgiant į tai, kaip svarbu šiuolaikinėse energijos sistemose mažinti šiltnamio efektą sukeliančių dujų kiekį, tokios hibridinės technologijos pradeda atrodyti kaip tikri pokyčių kūrėjai siekiant padaryti mūsų elektros tinklus šaresniais ir efektyvesniais.

Kuro elementų taikymas transporte ir pramonės taršos mažinime

Kuro elementai jau nebeapsiriboja tik automobiliais. Pagal praėjusiais metais paskelbtą informaciją iš ScienceDirect, apie 45 procentai naujų keltuvų ir maždaug penktadalis regioninių traukinių jau perėjo prie vandenilio kaip kurą vietoj tradicinių degalų. Tikras žaidimo taisyklių keitimas vyksta sunkiai įgyvendinamuose sektoriuose, kuriuose anglies dvideginio mažinimas yra itin sudėtingas. Visame pasaulyje cemento gamyklos ir geležies lydymo krosnys pradeda testuoti didelius kuro elementų kompleksus vietoj senųjų anglių deginimo sistemų. Kai kurie pirmieji rezultatai rodo, kad šios naujos sistemos gamybos metu gali sumažinti išmetamų teršalų kiekį net iki devynių dešimtųjų. Ypač įdomu tai, kad šios kuro elementų sistemos patikimai veikia net ir sunkiomis sąlygomis – būtent to reikia gamintojams, siekiant sumažinti aplinkos poveikį, nesumažinant gamybos našumo.

Ateities perspektyvos: inovacijų ir rinkos priėmimo tiltas

Pasauliniai R&D pokyčiai kuro elementų medžiagose ir dirbtinio intelekto skatinamas atradimų procesas

Pasak ataskaitos „Clean Energy Trends 2024“, pasaulyje kasmet išleidžiama daugiau nei 7,2 mlrd. JAV dolerių tyrimams degalų elementų technologijai. Tačiau tikrai įdomu, kaip greitai dalykus keičia mašininis mokymasis. Kai kurie tyrimai rodo, kad medžiagų atradimas paspartėjus tris–keturis kartus lyginant su ankstesniu laikotarpiu. Tai reiškia, kad mokslininkai gali rasti stabilias katalizatorines medžiagas ir patvarius elektrolitus žymiai greičiau nei anksčiau. Skaičiavimų modeliai taip pat padarė didelį poveikį, sumažindami tai, kas anksčiau užtrukdavo metus, iki vos kelių mėnesių darbo. Paimkime pavyzdžiui kietojo oksido degalų elementus. Dėka dirbtinio intelekto pagalbos, šios sistemos dabar pasiekia apie 92 % efektyvumą veikdamos 650 °C temperatūroje, kas iš tiesų 150 °C šaltesnė nei anksčiau įprasta temperatūra. Toks pagerinimas yra labai svarbus praktiniam naudojimui.

Pagrindinės kliūtys: kaina, ilgaamžiškumas ir vandenilio infrastruktūros trūkumai

Inovacijos vyksta greitai, tačiau šių technologijų išvedimas į rinką vis dar yra sudėtingas. Kokia problema su katalizatoriais be platinos? Kai jie naudojami tikruose protonų keitimo membraninėse degalų baterijose, nusidėvi apie 40 procentų greičiau nei tie, kurie pagaminti iš brangiųjų metalų. Tada dar yra visa vandenilio efektyvaus gamybos ir saugojimo problema, dėl kurios bendri visų kaštai padidėja tarp 18 ir 22 procentų. Infrastruktūra dar labiau atsilieka nuo grafiko. Iš visų suplanuotų vandenilio pildymo stoties tik apie septyni procentai iš tiesų atitinka 700 bar slėgio suspaudimo reikalavimą, būtiną sunkvežimsiams ir kitoms sunkiosioms transporto priemonėms. O nepamirškime ir reglamentų. Šiuo metu tik keturiolika pasaulio šalių sugebėjo sukurti nuoseklias standartines degalų elementų sertifikavimo taisykles, todėl dauguma rinkų lieka fragmentuotos ir painios gamintojams, kurie bandydami orientuotis turi spręsti skirtingus reikalavimus iš šalies į šalį.

Iš laboratorijos į rinką: deguonies kuro elementų inovacijų mastelio didinimas komerciniam naudojimui

Tarp pilotinių projektų ir viso masto gamybos esančią spragą iš tikrųjų galima užpildyti tik suradus būdų gaminti dideliais kiekiais. Atomo sluoksnio depositacija, arba ALD, kaip ji dažnai vadinama šioje srityje, šiuo metu sulaukia rimto dėmesio, kad būtų galima gaminti mažytes nanostruktūrines katalizatorines sistemas, reikalingas įvairioms aplikacijoms. Ritininės membranos apdorojimo technologija, iš pradžių sukurti saulės baterijoms, taikant ją degalų elementų gamybai, iš tikrųjų sumažino sąnaudas apie 33 procentais. Nacionaliniai moksliniai laboratorijų ir automobilių gamintojų bendradarbiavimas tikrai pagreitino procesą. Jų bendri pastangos leido pasiekti, kad naujosios protonų keitimo membranos tipo degalų elementų konstrukcijos veiktų apie 25 000 valandų iki pakeitimo. Tai yra gana didelis pagerinimas lyginant su 2020 metų modeliais, kurie veikė tik apie 14 900 valandų. Dėl tokio greito pažangos, atrodo, jog šių pažangių technologijų išvedimas į rinką jau nėra tik galimybė, bet vis labiau tampa realumu.

DAK

Kokie privalumai naudojant nanotechnologijas kuro elementuose?

Nanotechnologijos padeda pagerinti kuro elementų medžiagas, didinant joninę laidumą, mažinant ribinę varžą ir leidžiant sukurti plonesnius katalizatorių sluoksnius, dėl ko pasiekiamas efektyvesnis šilumos paskirstymas bei geresnis bendras našumas.

Kaip neplatiniu baze pagaminti katalizatoriai sumažina kuro elementų sąnaudas?

Neplatiniu baze pagaminti katalizatoriai, tokie kaip geležies ar kobalto pagrindu pagaminti, ženkliai sumažina kuro elementų sąnaudas – iki 75 % – tuo pačiu išlaikydami palyginamą našumą deguonies redukcijos reakcijose.

Kokios pagrindinės kliūtys diegiant kuro elementų technologiją masteliu?

Pagrindinės kliūtys apima medžiagų kainą ir ilgaamžiškumą, trūkstamą efektyvią vandenilio infrastruktūrą bei poreikį nuosekliems visuotiniams standartams ir mastelio gamybos procesams komercinėms kuro elementų aplikacijoms.

Kaip hibridinės SOFC-turbina sistemos padidina efektyvumą?

Hibridinės SOFC-turbinos sistemos padidina efektyvumą, panaudodamos perteklinę šilumą iš turbinos išmetamųjų dujų, kad būtų pagerintas elektros našumas, pasiekiant iki 72 % efektyvumo, kas yra žymiai daugiau nei tradicinės turbinos atskirai.

Kokį vaidmenį dirbtinis intelektas atlieka kuro elementų tyrimuose?

Dirbtinis intelektas greitina medžiagų atradimą ir plėtrą, sumažindamas laiką, reikalingą nustatyti stabilias katalizatorines medžiagas ir elektrolitus, galiausiai gerindamas efektyvumą ir našumą praktinėse kuro elementų aplikacijose.