Разработка водородных топливных элементов на основе «интеграции накопителей водорода в производство солнечной энергии»

Сэндвичи многие из нас пробовали, но сегодняшняя наглядность технологии «бутербродов» просто потрясающая. Он может превратить нашу традиционную аккумуляторную батарею в небольшую электростанцию, и самое большое отличие от традиционных батарей в том, что это также чистый источник энергии.

Недавнее исследование, проведенное исследовательской группой из Университета науки и технологий Китая, показало, что использование графенового материала в качестве «контейнера» и использование структуры, подобной «сэндвичу», как ожидается, решат проблему безопасного хранения водорода при высоком хранении водорода. тем самым способствуя развитию водородных топливных элементов. Соответствующие статьи исследования были опубликованы в академическом журнале Nature Newsletter.

Водород в три раза горячее бензина.

Водородная энергия признана чистым источником энергии. Еще в 1970-х годах была предложена концепция «водородной энергетики». Проще говоря, он предусматривает использование солнечного света для стимулирования производства водорода и использование водорода в качестве среды (подготовка, хранение, транспортировка и преобразование) для замены существующей системы экономии нефти, тем самым достигая цели восстановления окружающей среды.

В отношении преимуществ водородной энергетики автор сообщения вышеупомянутой статьи, профессор Цзянцзюнь из Школы химии и материаловедения Китайского университета науки и технологий, упомянул три момента. Во-первых, содержание водорода высокое. За исключением ядерного топлива, теплотворная способность водорода в настоящее время определяется всеми видами топлива. Самый высокий в три раза больше, чем у бензина. Высокая энергия водорода делает водород одним из важных топлив для космических кораблей. Во-вторых, водород - это чистый источник энергии, сам по себе нетоксичный, продукт сгорания - вода, не загрязняет окружающую среду и может быть переработан. В-третьих, источник водорода также очень обширен. Помимо производства водорода из ископаемого топлива, повсеместная вода также называется «водородной шахтой».

В настоящее время использование водородной энергии в основном основано на топливных элементах. Концепция топливных элементов была впервые предложена Уильямом Гроувом, британским валлийским ученым, в 1839 году. Топливо и воздух отправлялись в топливные элементы, и производилось электричество. Он смотрит на положительные и отрицательные полюса и электролиты снаружи, как батарея, но по сути он может не «хранить электричество», а «электростанцию».

Основное различие между водородными топливными элементами и обычными батареями состоит в том, что сухие батареи и батареи представляют собой устройства хранения энергии, которые накапливают электрическую энергию и высвобождают ее при необходимости; Водородный топливный элемент - это строго устройство для выработки электроэнергии, которое преобразует химическую энергию непосредственно в электрическую.

Стоимость и безопасность водородной энергии остаются ограниченными

Такие эксперты, как доцент кафедры химической инженерии и биологической инженерии Чжэцзянского университета Чжаоюнчжи, считают, что применение водородной энергии в таких областях, как автомобили на топливных элементах, распределенное производство электроэнергии и аварийное электроснабжение, приблизилось к индустриализации.

Что касается автомобилей на водородных топливных элементах, то японские исследования «пошли очень рано», например, экспериментальный автомобиль Toyota на водородных топливных элементах Mirai, который был продан на рынке в небольших количествах. В Китае также внимательно следят за разработкой автомобилей на водородных топливных элементах. Во время Олимпийских игр в Пекине, Всемирной выставки в Шанхае, Азиатских игр в Гуанчжоу и Универсиады в Шэньчжэне Китай запустил демонстрационные проекты автомобилей на топливных элементах.

Профессор Лицзяньцю с факультета автомобильной инженерии Университета Цинхуа считает, что к 2020 году отечественные автомобили на топливных элементах пройдут около 10 000 демонстрационных операций. Начиная с 2025 года, производство автомобилей на топливных элементах значительно увеличится - 100 000 автомобилей в год. Увеличивать.

Однако соображения стоимости и безопасности остаются неизбежными. Например, Чжэнцзюньшэн, младший научный сотрудник автомобильной школы Университета Тунцзи, однажды сказал, что высокие цены на аккумуляторы являются одним из узких мест, ограничивающих разработку автомобилей на водородном топливе. Он пояснил, что катализатором для водородных топливных элементов являются платиновые металлы, которые дороги, и что, хотя технологические достижения значительно сократили их использование, они по-прежнему ограничивают стоимость водородных топливных элементов. Кроме того, из-за особых трудностей при хранении и транспортировке водорода высокая стоимость водородных заправочных станций как важной инфраструктуры для транспортных средств на водородных топливных элементах ограничивает ее продвижение.

«Распределенное производство электроэнергии» обычно относится к устройствам малой мощности, которые интегрированы или изолированы от конечных пользователей (фабрики, коммерческие предприятия, общественные здания, кварталы, частные домохозяйства). В настоящее время распределенная генерация энергии на основе топливных элементов начала коммерциализироваться в Европе, Америке, Японии и Южной Корее.

Кроме того, в качестве аварийного источника питания водородные топливные элементы обладают такими характеристиками, как высокая энергоэффективность, благоприятная среда, небольшая площадь, качество света, стабильная и надежная работа и долгий срок службы по сравнению со свинцово-кислотными батареями. Его также начал отдавать предпочтение рынку аварийного питания. В настоящее время в области связи нередки случаи, когда топливные элементы используются в качестве аварийного источника питания. Например, три основных оператора связи в Китае уже ввели в действие резервные источники питания на топливных элементах.

Согласно статье Тира Тира, доктора философии, эффективное хранение водорода является условием широкого коммерческого использования топливных элементов. по физике в университете Ланьчжоу. Однако большинство методов хранения водорода, включая сжатие, сжижение и оксиды металлов, трудно удовлетворить минимальным стандартам для полной замены ископаемого топлива.

Еще одна идея для водородных топливных элементов, которую ученые должны хранить, - это физически или химически адсорбировать водород с образованием твердых веществ, таких как гидрид металла с атомами металла и химический гидрид с органическими молекулами. Кроме того, использование материалов с большой поверхностью, таких как фуллерены, графен и другие адсорбционные материалы, также является способом мышления.

Безопасное хранение водорода с помощью графена

В 2004 году профессор Андели · Хайму и доктор Кангситандинг · нуовоксиолуофу из Манчестерского университета в Соединенном Королевстве неоднократно удаляли направленный пиролитический графит с помощью клейкой ленты, чтобы получить стабильный графен. Благодаря превосходным электрическим, оптическим и механическим свойствам графена, а также широким возможностям его применения, его первооткрыватель Нуовоксиолуофу и Дэвид Шнайдер были удостоены Нобелевской премии по физике 2010 года.

После успешного производства графена команда Heim дополнительно изучила и подтвердила, что графен может проникать в протоны, а это означает, что водород из воздуха может быть превращен в топливные элементы, генерируя электричество и воду, и становясь безуглеродным, экологически чистым революционным источником энергии .

Цзянцзюнь сказал, что их исследования были вдохновлены работой Хайма в последние годы: графен может изолировать все газы и жидкости, но он может «открывать одну сторону» для протонов и щедро их высвобождать. Используя эту естественную «мгновенную дверь» для протонов, Цзянцзюнь и другие разработали структуру «сэндвич», в которой углеродные и азотные материалы помещены в два слоя графена.

Эта многослойная структура может одновременно поглощать как ультрафиолетовый, так и видимый свет, использовать непрерывный поток солнечного света для генерации положительных и отрицательных зарядов, быстро разделять положительные и отрицательные заряды с помощью энергии и проходить к внешнему слою графена и углерода и азот соответственно. слой, Полностью примените соответствующие возможности: молекулы воды на поверхности графена разлагаются с помощью положительных зарядов с образованием протонов. Эти протоны могут проникать в графен и реагировать с электронами с образованием водорода. Поскольку через графен могут проходить только протоны, а образующийся водород не может проникать через графен, молекулы водорода, образованные в результате фотодиссоциации, надежно удерживаются в системе сэндвич-соединений. В то же время атомы кислорода, кислород, гидроксильные группы и другие вещества не могут проникать в сложную систему, тем самым подавляя обратную реакцию кислорода и водорода в воду и обеспечивая безопасное хранение водорода при высоких скоростях хранения водорода.

Цзянцзюнь сказал, что в этой сложной системе можно использовать не только графен, углеродные и азотные материалы, но и другие материалы, такие как фуллерены, углеродные наночастицы и фотокатализаторы. Это создало возможность для преобразования солнечной энергии крекинга воды в водородную энергию, что, в свою очередь, способствует широкомасштабному применению водородной энергии.

Страница содержит содержимое машинного перевода.