Зеленый водород: новый дизайн электродов снижает износ

Инженеры из Калифорнийского университета в Беркли разработали новую технологию, которая способна значительно продлить срок службы топливных элементов, производящих водород, и приблизить эру доступного экологически чистого водорода.

Водород находит широкое применение: от топлива для тяжелого транспорта до сырья в химической промышленности и решения для долгосрочного хранения энергии. Однако на сегодняшний день большая часть водорода производится из ископаемого топлива, что сопровождается выбросами углекислого газа и другими экологическими проблемами. Альтернативный метод — электролиз воды, при котором в качестве побочного продукта выделяется только кислород. Тем не менее, водород, полученный таким способом, пока остается слишком дорогим для конкуренции с ископаемым топливом без субсидий.

Решением может стать использование возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнце. Но для этого сами электролизеры должны быть более доступными, так как они будут работать не постоянно. Шеннон Бёттчер и его команда работают над новой технологией электролиза с использованием полимеров, проводящих ионы. Эта технология обещает снизить стоимость, но ранее электроды в таких системах быстро деградировали. Теперь ученые модифицировали конструкцию электролизеров, чтобы защитить электроды от износа.

«Если эта технология будет успешно реализована, можно ожидать 5-10 кратного снижения стоимости мембранных электролизеров. Это позволит нам использовать их для потребления избыточной энергии из сети и производить водород», — отметил Бёттчер, профессор химической и биомолекулярной инженерии и химии в UC Berkeley.

Электролизеры могут преобразовывать избыточную энергию, полученную в пиковые периоды генерации солнечной и ветровой энергии, в водород для последующего использования в промышленности и для сезонного хранения электроэнергии. «Мы стремимся разработать электрохимические технологии производства водорода, которые смогут использовать всю эту переменную электрическую энергию», — добавил Бёттчер.

Почему выходят из строя аккумуляторы

По словам Бёттчера, деградация полимерных электродов, где происходит отдача электронов ионам гидроксида (OH–) для образования кислорода, происходит из-за потери электронов самими полимерами. Эта окислительная деградация является основным препятствием на пути коммерциализации данной технологии электролизеров.

Существует два основных типа коммерческих электролизеров. Жидкостные щелочные электролизеры используют горячий едкий раствор, аналогичный средствам для прочистки канализации, в качестве электролита, окружающего электроды, и пористый керамический интерфейс для разделения водорода и кислорода. Эти устройства достаточно эффективны и активно масштабируются в Китае, однако едкий электролит затрудняет обслуживание, а керамические сепараторы плохо работают при высоких скоростях производства водорода или при прерывистом режиме работы.

Более новым решением являются протон-обменные мембранные электролизеры (PEM). Они используют кислый органический полимер, проводящий ионы, который выполняет роль электролита и одновременно разделяет газообразные водород и кислород. «Эти электролизеры привлекательны тем, что мембрана в значительной степени препятствует смешиванию кислорода и водорода», — пояснил Бёттчер. «Электроды можно разместить очень близко друг к другу, достигая высокой эффективности при производстве водорода на одном электроде и кислорода на другом, а мембрана служит электролитом. Она твердая, поэтому требуется только чистая вода».

Однако в таких электролизерах возникает проблема сильнокислой среды. «Сильные кислоты растворяют почти все известные металлы в условиях окисления, то есть в условиях образования кислорода, которые присутствуют в этом электролизере», — отметил он. Единственным жизнеспособным материалом для электрода является дорогой иридий, а для стабилизации полимера требуются так называемые «вечные химикаты» — фторуглероды.

Новая технология: как это работает

Новая технология Бёттчера, названная анодно-обменным мембранным водяным электролизером, сочетает преимущества твердополимерной мембраны с эффективностью и доступностью простого щелочного электролита. «Можно получить все преимущества дешевых материалов щелочной технологии, а также преимущества мембранной технологии, включая снижение стоимости, повышение безопасности и уменьшение обслуживания, но при этом они должны быть долговечными», — подчеркнул Бёттчер.

Для решения проблемы деградации ученый сосредоточился на анодном электроде, где происходит окисление и наибольшее повреждение. Положительный заряд электрода оттягивает электроны от молекул полимера, что ускоряет процесс разрушения полимера гидроксид-ионами. «Одна из причин выхода из строя аккумуляторов — это побочные реакции. Электроны в материале аккумулятора реагируют с электролитом, возникают нежелательные побочные реакции, аккумулятор засоряется и перестает работать», — добавил он.

Вдохновленные многолетними исследованиями по улучшению аккумуляторов, Бёттчер и его команда разработали способ защиты полимера от побочных реакций. Для этого в органический полимер, проводящий ионы и разделяющий газы, добавляется недорогой компонент — неорганический полимер оксида циркония. Полимеры циркония образуют вокруг анодного электрода «пассивирующий» слой, который защищает более чувствительный органический полимер от потери электронов при образовании кислорода. «Мы добились стократного снижения скорости деградации. Мы еще не достигли коммерческой готовности, но это самое значительное улучшение, которое нам удалось найти», — заявил Бёттчер.

Анод изготавливается путем нанесения катализатора на основе кобальта на сетку из стальной проволоки, а затем полного покрытия катализатора и сетки полимерной смесью. Затем добавляется катод, который извлекает ионы водорода из воды для образования водорода, формируя «сэндвич».

Бёттчер, занимающий должность профессора химической инженерии имени Теодора Вермёлена, продолжает работу над пониманием и улучшением характеристик электродов, а также над устранением оставшихся причин деградации. «Производство, хранение и транспортировка водорода — все это дорогостоящие процессы, сопряженные со множеством проблем. Но прогресс в этой технологии невероятен», — отметил Бёттчер. «Наступает эра, когда производство водорода методом электролиза будет вытеснять ископаемое топливо во многих сферах применения без необходимости субсидий».

В число соавторов входят Шуджин Хоу, Янг Чжао, Минкун Квак, Келвин Кам-Юн Ли, Пейяо Ву, Энтони Эккенниа и Джоэль Фречетт из UC Berkeley, а также Грегори Су из Berkeley Lab. Кроме того, в работе принимали участие специалисты из компании Versogen, занимающейся коммерциализацией технологии, Университета Делавэра и Стэнфорда.