Топливные элементы и новое понимание химических реакций

Топливные элементы и новое понимание химических реакций

Выступая многообещающей альтернативой существующим электростанциям, твердооксидные топливные элементы демонстрируют электрохимические методы генерации энергии более эффективно, чем традиционные генераторы на основе сжигания. Однако для топливных элементов характерной является тенденция быстрого разложения, что приводит к снижению эффективности и увеличению затрат. И вот, инженеры университета Висконсин-Мэдисон заявили о новом понимании химических реакций  приведения в действие топливных элементов.

Исследование возможностей топливных элементов

Топливные элементы представлены уникальными технологиями, наделёнными потенциально пробивными возможностями. Вместе с тем проблемы деградации выступали основным препятствием для потребительского рынка.

Одна из причин быстрого разложения топливных элементов – работа в условиях крайне высоких температур (выше 800ºC). Но такие температуры необходимы для стимулирования химических реакций — процесса создания электричества.

Новая технология объединяет кислород и внешний источник топлива практически  аналогично процессу преобразования тепла и света в условиях горения. Тем не менее, топливными элементами химические реакции выполняются без горения. Это один из главных факторов генерации энергии с большей эффективностью по отношению к процессу сгорания традиционного топлива.

Конструкции новых источников питания работают подобно батареям, состоящим из двух электродов, разделённых электролитом — материалом, транспортирующим ионы. Один из электродов расщепляет газообразный кислород из воздуха на отдельные атомы с последующим транспортом и объединением с топливом.

Следует подчеркнуть: расщепление кислорода освобождает электроны, что перемещаются по цепи питания нагрузки. Расщепление кислорода происходит в области катода. Существенным «тормозом» внедрения технологии видится высокая стабильность газообразного кислорода, который крайне сложно расщеплять на атомы.

Усилия учёных по эффективному управлению реакциями при более низких температурах, с помощью совместимых материалов, – задача сложная. И отчасти потому, что исследователям неведомы детали атомного масштаба химических реакций на катоде.

Выводы на основе результатов компьютерного моделирования

И вот исследовательская группа университета Висконсин-Мэдисон решила обратиться к методу компьютерного моделирования. Специалисты молекулярного моделирования объединили теорию функционала плотности и кинетическую модель с целью получения представления об атомном уровне реакций верхних слоёв катода.

Удалось определить, что расщепление не ограничивает скорости реакций в исследуемом материале. Как выяснилось, эффективность топливных элементов ограничивается поисковым процессом атомов кислорода вакансий на поверхности структуры катода. Соответственно, материал, имеющий большее количество вакансий, потенциально обещает сделать новые источники энергии более эффективными.


При помощи информации: WISC