Инженеры Университета Делавэра (UD) продемонстрировали способ эффективного улавливания 99% углекислого газа из воздуха с помощью новой электрохимической системы, работающей на водороде.

Топливные элементы работают путем преобразования химической энергии топлива непосредственно в электричество. Их можно использовать в транспорте для таких вещей, как гибридные автомобили или автомобили с нулевым уровнем выбросов.

Ян, Генри Белин дю Пон, заведующий кафедрой химической и биомолекулярной инженерии в UD, работает над улучшением топливных элементов с мембраной гидроксидного обмена (HEM), экономичной и экологически чистой альтернативы традиционным топливным элементам на кислотной основе, используемым сегодня.

Но у топливных элементов HEM есть недостаток, из-за которого они не используются на дорогах - они чрезвычайно чувствительны к углекислому газу в воздухе. По сути, углекислый газ затрудняет дыхание топливного элемента HEM .

Этот дефект быстро снижает производительность и эффективность топливного элемента до 20%, что делает топливный элемент не лучше бензинового двигателя. Исследовательская группа Яна уже более 15 лет ищет путь для решения этой загадки с углекислым газом.

Исследователи поняли, что этот недостаток на самом деле может быть решением проблемы удаления углекислого газа. «Как только мы углубились в механизм, мы поняли, что топливные элементы улавливают почти каждую частицу углекислого газа, попадающую в них, и они действительно хорошо отделяют его», - сказал Брайан Сетцлер, доцент по исследованиям.

Команда знала, что если они смогут использовать этот встроенный процесс «самоочистки» в отдельном устройстве перед блоком топливных элементов, они смогут превратить его в сепаратор углекислого газа. «Оказывается, наш подход очень эффективен. Мы можем улавливать 99% углекислого газа из воздуха за один проход, если у нас есть правильный дизайн и правильная конфигурация», - сказал Ян.

Как они это сделали?

Они нашли способ встроить источник питания для электрохимической технологии внутрь разделительной мембраны. Подход включал внутреннее короткое замыкание устройства.

«Это рискованно, но нам удалось управлять этим короткозамкнутым топливным элементом с помощью водорода. А с помощью этой внутренней электрически короткозамкнутой мембраны мы смогли избавиться от громоздких компонентов, таких как биполярные пластины, токосъемники или любые электрические провода», - сказал Линь Ши, докторант группы.

Теперь у исследовательской группы было электрохимическое устройство, которое выглядело как обычная фильтрующая мембрана, предназначенная для отделения газов, но с возможностью непрерывно улавливать мельчайшие количества углекислого газа из воздуха, как более сложная электрохимическая система.

По сути, встраивание проводов устройства внутрь мембраны создало короткий путь, который облегчил перемещение частиц углекислого газа с одной стороны на другую. Это также позволило команде построить компактный спиральный модуль с большой площадью поверхности в небольшом объеме. 

Другими словами, теперь они имеют меньшую упаковку, способную фильтровать большее количество воздуха за раз, что делает их эффективными и экономичными для приложений с топливными элементами. Между тем, меньшее количество компонентов означает меньшую стоимость и, что более важно, обеспечивает возможность легкого масштабирования для рынка.

Результаты исследовательской группы показали, что электрохимическая ячейка размером 2 дюйма на 2 дюйма может непрерывно удалять около 99% углекислого газа, содержащегося в воздухе, проходящем со скоростью примерно два литра в минуту. Исследователи заявили, что ранний прототип спирального устройства размером с банку газировки способен фильтровать 10 литров воздуха в минуту и ​​очищать 98% углекислого газа.

По словам Сетцлера, масштабируемое для автомобильного применения устройство будет размером примерно с литровую бутылку молока, но устройство можно использовать и для удаления углекислого газа в других местах. Например, запатентованная UD технология может позволить использовать более легкие и эффективные устройства для удаления углекислого газа на космических кораблях или подводных лодках, где постоянная фильтрация имеет решающее значение.