Onderzoek duwt auto-industrie dichter bij schone auto’s die worden aangedreven door directe brandstofcellen op ethanol

Onderzoek naar alternatieve energie aan de Oregon State University brengt de weg naar de massale acceptatie van schone auto’s die worden aangedreven door brandstofcellen op directe ethanol in kaart.

Zhenxing Feng van het OSU College of Engineering hielp bij de ontwikkeling van een katalysator die drie belangrijke problemen oplost die lang in verband werden gebracht met DEFC, zoals de cellen worden genoemd: lage efficiëntie, de kosten van katalytische materialen en de toxiciteit van chemische reacties in de cellen.

Feng en medewerkers van Oregon State, de University of Central Florida en de University of Pittsburgh ontdekten dat het plaatsen van fluoratomen in palladium-stikstof-koolstofkatalysatoren een aantal positieve effecten had, waaronder het stabiel houden van de krachtige cellen gedurende bijna 6.000 uur. Een katalysator is een stof die de reactiesnelheid verhoogt zonder zelf een permanente chemische verandering te ondergaan.

De bevindingen zijn vandaag gepubliceerd in Natuur Energie.

Auto’s en vrachtwagens aangedreven door benzine- of dieselmotoren zijn afhankelijk van de verbranding van fossiele brandstoffen, wat resulteert in de uitstoot van het broeikasgas koolstofdioxide. Motorvoertuigen zijn een van de belangrijkste bronnen van atmosferische CO₂, een primaire factor in klimaatverandering.

“Verbrandingsmotoren produceren enorme hoeveelheden koolstofdioxide”, zegt Feng, universitair hoofddocent chemische technologie. “Om koolstofneutrale en CO2-emissievrije doelen te bereiken, zijn er dringend alternatieve energieconversieapparatuur nodig die de brandstof uit hernieuwbare en duurzame bronnen gebruikt. Directe ethanolbrandstofcellen kunnen mogelijk benzine- en dieselgebaseerde energieconversiesystemen vervangen als energiebronnen .”

Feng en medewerkers zijn bezig met het aanvragen van financiering om prototypes van DEFC-eenheden voor draagbare apparaten en voertuigen te ontwikkelen.

“Als dit lukt, kunnen we binnen vijf jaar een apparaat voor commercialisering leveren”, zei hij. “Met meer industriële medewerkers kan het DEFC-voertuig hopelijk in 10 jaar worden geïmplementeerd.”

Ethanol, ook bekend als ethylalcohol, bestaat uit koolstof, waterstof en zuurstof – de chemische formule is C₂H₆O—and is het actieve ingrediënt in alcoholische dranken. Het komt van nature voor door de fermentatie van suikers door gisten en kan worden verkregen uit vele bronnen, waaronder maïs, tarwe, graansorghum, gerst, suikerriet en zoete sorghum.

Het grootste deel van de ethanol die in de Verenigde Staten wordt geproduceerd, wordt gemaakt in het middenwesten, meestal van maïs.

Een brandstofcel, legt Feng uit, is afhankelijk van de chemische energie van waterstof of andere brandstoffen om schoon en efficiënt elektriciteit te produceren. Ze kunnen een breed scala aan brandstoffen en grondstoffen gebruiken en zijn geschikt voor systemen zo groot als een elektriciteitscentrale en zo klein als een laptop.

“In DEFC-technologie kan ethanol worden gegenereerd uit een aantal bronnen, met name biomassa zoals suikerriet, tarwe en maïs,” zei Feng. “Het voordeel van het gebruik van biologische bronnen om ethanol te produceren, is dat planten koolstofdioxide uit de lucht opnemen.”

Ethanol is een vloeistof en is dus gemakkelijk op te slaan en te vervoeren en kan meer energie per kilogram leveren dan andere brandstoffen zoals methanol of zuivere waterstof. Bovendien, benadrukt Feng, is er al een infrastructuur voor zowel de productie als de distributie van ethanol, wat DEFC een aantrekkelijke optie maakt voor het vervangen van verbrandingsmotoren.

“Het eerste voertuig aangedreven door een op ethanol gebaseerde brandstofcel werd in 2007 ontwikkeld,” zei Feng. “De verdere ontwikkeling van DEFC-voertuigen is echter aanzienlijk achtergebleven vanwege het lage rendement van DEFC, de kosten die verband houden met katalysatoren en het risico op katalysatorvergiftiging door koolmonoxide dat wordt geproduceerd bij reacties in de brandstofcel.”

Om die problemen aan te pakken, ontwikkelde het onderzoeksteam, dat ook OSU’s Maoyu Wang en wetenschappers van de Southern University of Science and Technology in China en het Argonne National Laboratory omvatte, hoogwaardige katalysatoren van palladiumlegeringen die minder edelmetaal gebruiken dan de huidige op palladium gebaseerde katalysatoren .

Palladium, platina en ruthenium zijn elementen die gewaardeerd worden om hun katalytische eigenschappen, maar duur en moeilijk te verkrijgen zijn.

“Ons team toonde aan dat de introductie van fluoratomen in palladium-stikstof-koolstofkatalysatoren de omgeving rond het palladium wijzigt, en dat verbetert zowel de activiteit als de duurzaamheid voor twee belangrijke reacties in de cel: de ethanoloxidatiereactie en de zuurstofreductiereactie,” zei Feng. . “Geavanceerde synchrotron-röntgenspectroscopiekarakteriseringen gemaakt in Argonne suggereren dat de introductie van fluoratomen een meer stikstofrijk palladiumoppervlak creëert, wat gunstig is voor katalyse. De duurzaamheid wordt verbeterd door palladiummigratie te remmen en koolstofcorrosie te verminderen.”