Gospodarka wodorowa jest od dawna promowana jako przełomowy aspekt niskoemisyjnej przyszłości. Czy innowacyjny system elektrochemiczny zasilany wodorem zaprezentowany przez inżynierów z University of Delaware stanie się sposobem na skuteczne wychwytywanie dwutlenku węgla z powietrza?

Skuteczność prezentowanego systemu sięga aż 99 procent, jest to znaczący postęp w dziedzinie wychwytywania dwutlenku węgla i może przybliżyć wprowadzenie na rynek bardziej przyjaznych dla środowiska ogniw paliwowych. Wyniki badań zespołu badawczego, kierowanego przez profesora UD Yushana Yana, zostały opublikowane w jednym z najbardziej prestiżowych czasopism Nature Energy w artykule A shorted membrane electrochemical cell powered by hydrogen to remove CO2 from the air feed of hydroxide exchange membrane fuel cells.

Nowe zasady gry w zakresie wydajności ogniw paliwowych

Działanie ogniw paliwowych polega na przekształcaniu energii chemicznej bezpośrednio w energię elektryczną. Mogą być stosowane np. w transporcie, m.in. w pojazdach hybrydowych lub zeroemisyjnych.

Yan, od pewnego czasu pracuje nad udoskonaleniem ogniw paliwowych z wymienną membraną wodorotlenkową (HEM), które stanowią ekonomiczną i przyjazną dla środowiska alternatywę dla stosowanych obecnie tradycyjnych ogniw paliwowych.

Ogniwa HEM mają jednak pewną wadę, która sprawia, że nie są szeroko stosowane w transporcie drogowym – mianowicie są one bardzo wrażliwe na obecność dwutlenku węgla znajdującego się w powietrzu. Zasadniczo dwutlenek węgla utrudnia ogniwom paliwowym HEM „oddychanie”.

Ta wada szybko obniża wydajność i sprawność nawet o 20 proc., powodując, że ogniwo paliwowe nie jest lepszym rozwiązaniem od silnika benzynowego.

Kilka lat temu naukowcy zdali sobie sprawę, że ta wada może być rozwiązaniem – chodzi o usuwanie dwutlenku węgla.

– Kiedy zagłębiliśmy się w ten mechanizm, zdaliśmy sobie sprawę, że ogniwa paliwowe wychwytują prawie każdą cząsteczkę dwutlenku węgla, która do nich trafia – powiedział Brian Setzler, asystent ds. badań w dziedzinie inżynierii chemicznej i biomolekularnej oraz współautor pracy.

Chociaż nie jest to dobre dla ogniwa paliwowego, zespół wiedział, że jeśli uda im się wykorzystać ten wbudowany proces "samooczyszczania" w oddzielnym urządzeniu znajdującym się przed modułem ogniwa paliwowego, będą mogli przekształcić je w separator dwutlenku węgla.

– Okazało się, że nasze podejście jest bardzo skuteczne. Możemy wychwycić 99 proc. dwutlenku węgla z powietrza, jeśli mamy odpowiedni projekt i właściwą konfigurację – powiedział Yan.

Wewnętrzne zwarcie

Naukowcy znaleźli sposób na umieszczenie źródła energii dla technologii elektrochemicznej wewnątrz membrany separacyjnej. Podejście to polegało na wewnętrznym zwarciu urządzenia.

– Jest to ryzykowne, ale udało nam się kontrolować ten proces za pomocą wodoru. Dzięki zastosowaniu wewnętrznej elektrycznie zwartej membrany mogliśmy pozbyć się nieporęcznych komponentów, takich jak płytki bipolarne, kolektory prądu czy przewody elektryczne, które zazwyczaj znajdują się w ogniwach paliwowych – powiedział Lin Shi.

Obecnie zespół badawczy dysponuje urządzeniem elektrochemicznym, które wygląda jak zwykła membrana filtracyjna służąca do oddzielania gazów, ale jest w stanie w sposób ciągły pobierać z powietrza niewielkie ilości dwutlenku węgla tak jak już bardziej skomplikowany system elektrochemiczny.

W efekcie osadzenie przewodów urządzenia wewnątrz membrany stworzono skrót, który ułatwił cząsteczkom dwutlenku węgla przemieszczanie się z jednej strony na drugą. Umożliwiło to również zespołowi skonstruowanie kompaktowego, spiralnego modułu o dużej powierzchni w małej objętości. Innymi słowy, mniejszy pakiet jest w stanie przefiltrować jednorazowo większą ilość powietrza, co czyni go zarówno efektywnym, jak i opłacalnym w zastosowaniach w ogniwach paliwowych. Jednocześnie mniejsza liczba komponentów oznacza niższe koszty, a co ważniejsze, zapewnia możliwość łatwego zwiększenia skali produkcji na potrzeby rosnącego rynku.

Wyniki badań zespołu badawczego wykazały, że ogniwo elektrochemiczne o wymiarach 2 cale na 2 cale może w sposób ciągły usuwać około 99 proc. dwutlenku węgla znajdującego się w powietrzu przy przepływie o prędkości około dwóch litrów na minutę. Wczesny prototyp spiralnego urządzenia o wielkości 12-uncjowej puszki napoju gazowanego jest w stanie przefiltrować 10 litrów powietrza na minutę i usunąć 98 proc. dwutlenku węgla – twierdzą naukowcy.

Jak powiedział Setzer, urządzenie, wyskalowane do zastosowań motoryzacyjnych, będzie miało wielkość galonu mleka, ale można je wykorzystać do usuwania dwutlenku węgla także w innych miejscach. Przykładowo technologia ta, mogłaby umożliwić zastosowanie lżejszych, wydajniejszych urządzeń do usuwania dwutlenku węgla w statkach kosmicznych lub łodziach podwodnych, gdzie bieżąca filtracja ma kluczowe znaczenie.

Według Shi, ponieważ system elektrochemiczny jest zasilany wodorem, w miarę rozwoju gospodarki wodorowej to urządzenie elektrochemiczne mogłoby być również stosowane w samolotach i budynkach, gdzie recyrkulacja powietrza jest pożądana jako środek zmniejszający koszty zużycia energii. Zespół będzie współpracował z firmą Versogen, aby kontynuować badania nad zrównoważonym, ekologicznym wodorem.

Źródło: versogen.com; Nature Energy; University of Delaware