Специалисты из Университета Делавэра разработали эффективный захват углекислого газа с помощью электрохимической системы

Исследовательская группа из Университета Делавэра под руководством профессора Юшань Янь сообщила о разработке новой методики по эффективному захвату 99% углекислого газа из воздуха при помощи новой электрохимической системы, функционирующей на водороде. По их словам это огромный шаг вперёд в сфере улавливания углекислого газа, который может привести к созданию более экологичных топливных элементов.

Изображение: udel.edu

Технология повышения эффективности топливных элементов

Современные топливные элементы функционируют посредством преобразования химической энергии топлива непосредственно в электричество. Их можно использовать в транспорте с нулевым уровнем выбросов. Заведующий кафедрой химической и биомолекулярной инженерии в Университете Делавэра, Генри Белин дю Пон, уже длительное время работает над улучшением топливных элементов с мембраной гидроксидного обмена (HEM). Это экологически чистая и экономичная альтернатива традиционным топливным элементом на кислотной основе, которые используются сегодня.

Существенным недостатком топливных элементов HEM является то, что они очень чувствительны к содержанию углекислого газа в воздухе. Образно говоря, углекислый газ затрудняет дыхание топливного элемента HEM. Этот недостаток серьёзно снижает производительность и эффективность топливного элемента, которая падает до 20%. В результате он становится не лучше, чем бензиновый двигатель. Долгие годы исследовательская группа Генри Белин дю Пона ищет обходные пути для решения этой проблемы.

Некоторое время назад исследователи поняли, что этот недостаток можно превратить в решение проблемы улавливания углекислого газа. Один из соавторов исследования, Брайан Сетцлер, сказал, что топливные элементы улавливают практически каждую частицу углекислого газа, которая попадает в них. При этом они хорошо изолируют его. Для топливного элемента это не хорошо. Учёные решили использовать этот встроенный процесс «самоочистки» в отдельном устройстве перед блоком топливных элементов. В этом случае получается сепаратор углекислого газа. На деле оказалось, что разработанный подход весьма эффективен. Как говорит дю Пон, технология позволяет улавливать 99% углекислого газа из воздуха за один проход, если имеется правильная конфигурация и дизайн.
 

Как реализован механизм?

Учёные нашли способ строить источник питания для реализации электрохимической технологии внутрь разделительной мембраны. Этот подход включает в себя внутреннее короткое замыкание устройства. Как говорят исследователи, было довольно рискованно, но они смогли наладить управление короткозамкнутым топливным элементом с помощью водорода. При помощи внутренней электрически короткозамкнутой мембраны им удалось избавиться от таких громоздких элементов, как токосъёмники, биполярные пластины, электрические провода. Все эти компоненты обычно присущи стеку топливных элементов.

Полученное электрохимическое устройство выглядит, как обычная фильтрующая мембрана, предназначенная для отделения газов. Однако при этом она имеет возможность непрерывно улавливать мельчайшее количество углекислого газа из воздуха, что доступно лишь более сложным электрохимическим системам.

Встраивание электрохимического устройства внутрь мембраны обеспечивает кратчайший путь, что облегчило перемещение частиц углекислого газа с одной стороны на другую. Учёные смогли создать компактный спиральный модуль с большой площадью поверхности при минимальных размерах. Получилось установка, которое может фильтровать значительно больший объём воздуха за один раз. Меньшее количество компонентов означает меньшую стоимость устройства, а, значит, она будет востребована на рынке.

Согласно результатам исследования, опубликованным здесь, электрохимическая ячейка размером 2 на 2 дюйма может беспрерывно удалять примерно 99% углекислого газа из воздуха, проходящего через неё со скоростью примерно 2 литра в минуту. Как заявляют исследователи, прототипа спирального устройства имеет размер с банку газировки и способен фильтровать 10 литров воздуха в минуту, удаляя из него 98% углекислого газа.

Как говорят учёные, если масштабировать полученное устройство для применения в автомобилях, то его размер будет примерно с бидон молока. Но сфера применения не ограничивается лишь автомобилями. Его можно использовать для удаления углекислого газа в прочих местах. Запатентованная технология позволит создавать более лёгкие и эффективные устройства для удаления углекислого газа на подводных лодках, космических кораблях и прочих замкнутых системах, где постоянная фильтрация воздуха имеет решающее значение. Поскольку электрохимическая система работает на водороде, по мере развития водородной отрасли это электрохимическое устройство найдёт применение в зданиях и самолётах, где требуется рециркуляция воздуха в качестве одной из мер энергосбережения.