| 0 |
|
В поисках оптимальных электрохимических устройств для нужд крупной энергетики много вниманию в последнее время уделяют системам на базе водорода и брома. Химическая реакция между этими веществами протекает гораздо активнее, чем между водородом и кислородом в топливных элементах, и сопровождается большим током электронов через внешнюю цепь. Но именно из-за ее активности спонтанная реакция нежелательна — слишком много энергии теряется в виде тепла. Обычно электрохимические процессы регулируют, разделяя реагенты дорогостоящей мембраной, однако в данном случае такой сепаратор быстро разъедает образующаяся в батарее бромоводородная кислота.
Уже более декады ученые работают над совершенствованием безмембранных процессов, в которых разделение реагирующих компонентов осуществляется посредством динамики жидкостей, а конкретнее — физики ламинарного течения. При определенных условиях два потока жидкости могут двигаться параллельно, при этом практически не смешиваясь. Но до сих пор все основанные на этом принципе конструкции топливных элементов значительно уступали по плотности энергии своим мембранным аналогам.
Четыре года назад у двух аспирантов MIT родилась идея совместить безмембранную архитектуру с бромоводородной химией. Таким образом достигались бы сразу две цели: устранялась сдерживающая разработку HBr-батарей мембрана, а на смену медленному кислородному процессу, ухудшавшему рабочие показатели безмембранных прототипов, приходил более активный.
Дополнительным бонусом стала обратимость бромоводородной реакции. В большинстве безмембранных конструкций входящие и выходящие продукты отличаются. Такие системы являются «одноразовыми», т.е. нуждаются в непрерывном притоке свежих реагентов. В случае водорода и брома продуктом реакции является сам электролит. При повторной подаче в реакционную камеру он разделяется на исходные компоненты: происходит перезарядка системы. Таким образом, процесс может быть реализован по замкнутому контуру, что позволяет создать первую перезаряжаемую безмембранную батарею.
Для экспериментального воплощения этой концепции авторам пришлось решить проблему как помешать компонентам, и в частности брому, вступать в контакт с «чужим» электродом, повреждая дорогостоящий платиновый катализатор. Используя новейшую численную модель для расчета концентраций брома они модифицировали свою конструкцию таким образом, чтобы диффундирующий бром вымывался из системы задолго до достижения им анода.
В первых тестах при комнатных температуре и давлении неоптимизированный демонстрационный прототип проточной бромоводородной батареи показал максимальную плотность энергии 795 мВт на квадратный сантиметр. Это сопоставимо с показателями лучших мембранных бромоводородных батарей и в 2-3 раза превосходит прежние безмембранные устройства, использующие любые химические процессы. Ранние эксперименты продемонстрировали также высокую эффективность быстрой перезарядки новых батарей — на четверти пиковой мощности она достигала 90%.
Многообещающими были и предварительные оценки себестоимости. В традиционных кислород-водородных топливных элементах до половины общей цены киловатт-часа приходится на стоимость протонообменной мембраны и катализаторов. В новой батарее отсутствуют мембрана и катодный катализатор, и значительно меньше катализатора используется на аноде. Высокая плотность энергии позволяет уменьшить габариты системы, что также снижает себестоимость устройства.
Исследователи продолжают работать над совершенствованием бромовой батареи, например, пытаются достичь более высоких значений плотности энергии сближая электроды, и исключить появление молекулярного брома в электролите, изменяя форму каналов и скорость течения в соответствии с рекомендациями на основе предиктивных моделей.
Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365
| 0 |
|
