Идея использования аммиака в качестве носителя для доставки водорода стала популярной в последние годы, потому что аммиак намного легче сжижать, чем водород, и поэтому его намного проще хранить и транспортировать. Технологический прорыв Северо-Запада преодолевает несколько существующих препятствий на пути производства чистого водорода из аммиака.
«Отравой для водородных топливных элементов является отсутствие инфраструктуры доставки», – сказала Соссина Хайле, ведущий автор исследования. «Транспортировать водород сложно и дорого, но обширная система доставки аммиака уже существует. Для этого есть трубопроводы. Мы доставляем много аммиака по всему миру для удобрений. Если вы дадите нам аммиак, разработанные нами электрохимические системы могут преобразовать этот аммиак в чистый водород для топливных элементов на месте в любом масштабе."
Хайли – это Уолтер П. Мерфи, профессор материаловедения и инженерии в Северо-западной инженерной школе Маккормика с дополнительными назначениями в области прикладной физики и химии. Она также является содиректором Университета устойчивого развития и энергетики Северо-Западного университета.
В своем исследовании Хайле и ее исследовательская группа сообщают, что они могут проводить преобразование аммиака в водород с использованием возобновляемой электроэнергии вместо тепловой энергии на ископаемом топливе, потому что этот процесс работает при гораздо более низких температурах, чем традиционные методы (250 градусов Цельсия в отличие от От 500 до 600 градусов Цельсия). Во-вторых, новый метод генерирует чистый водород, который не нужно отделять от непрореагировавшего аммиака или других продуктов.
В-третьих, процесс эффективен, потому что весь электрический ток, подаваемый на устройство, непосредственно производит водород без каких-либо потерь на паразитные реакции. В качестве дополнительного преимущества, поскольку производимый водород является чистым, в нем может быть непосредственно повышено давление для хранения с высокой плотностью, просто увеличивая электрическую мощность.
Чтобы осуществить преобразование, исследователи построили уникальную электрохимическую ячейку с протонпроводящей мембраной и интегрировали ее с катализатором расщепления аммиака.
«Аммиак сначала встречает катализатор, который расщепляет его на азот и водород», – сказал Хейл. «Этот водород немедленно превращается в протоны, которые затем электрически перемещаются через протонпроводящую мембрану в нашей электрохимической ячейке. Постоянно отбирая водород, мы продвигаем реакцию дальше, чем в противном случае.
Это известно как принцип Ле Шателье. Удаляя один из продуктов реакции расщепления аммиака, а именно водород, мы продвигаем реакцию вперед, за пределы того, что может сделать катализатор расщепления аммиака в одиночку."
Водород, образующийся при расщеплении аммиака, затем можно использовать в топливном элементе. Как и батареи, топливные элементы вырабатывают электроэнергию путем преобразования энергии, полученной в результате химических реакций.
В отличие от батарей, топливные элементы могут производить электричество, пока есть топливо, и никогда не теряют свой заряд. Водород – это чистое топливо, которое при потреблении в топливном элементе производит воду в качестве единственного побочного продукта. Это контрастирует с ископаемым топливом, которое производит изменяющие климат парниковые газы, такие как углекислый газ, метан и закись азота.
Хайле прогнозирует, что новая технология может быть особенно революционной в транспортном секторе.
В 2018 году на перемещение людей и товаров на автомобилях, грузовиках, поездах, кораблях, самолетах и других транспортных средствах пришлось 28% выбросов парниковых газов в США.S. — больше, чем в любом другом секторе экономики по данным Агентства по охране окружающей среды.
«Транспортные средства с батарейным питанием – это здорово, но, безусловно, возникает вопрос о запасе хода и поставке материалов», – сказал Хейл. «Преобразование аммиака в водород на месте и распределенным способом позволит вам заехать на заправочную станцию и получить водород под давлением для вашего автомобиля. Также растет интерес к водородным топливным элементам для авиационной промышленности, потому что батареи очень тяжелые."
Хейли и ее команда за последние годы добились значительных успехов в области топливных элементов. В качестве следующего шага в своей работе они исследуют новые методы экологически чистого производства аммиака.