Введение

Прямые этанольные топливные элементы (DEFC) — это категория топливных элементов, в которых этанол подается непосредственно в ячейку. Они использовались в качестве модели для изучения широкого спектра концепций топливных элементов, включая использование PEM.

Преимущества

DEFC использует этанол в топливном элементе вместо более токсичного метанола. Этанол является привлекательной альтернативой метанолу, поскольку у него уже налажена цепочка поставок. Кроме того, этанол остаётся более удобным в обращении топливом для широкого потребительского использования. Этанол – жидкость, богатая водородом, с высокой удельной энергией (8,0 кВт⋅ч/кг) по сравнению с метанолом (6,1 кВт⋅ч/кг). Этанол можно получать в больших количествах из биомассы посредством ферментации из возобновляемых источников, таких как сахарный тростник, пшеница, кукуруза или даже солома. Биоэтанол (или этанол, полученный из биомассы) привлекателен тем, что выращивание сельскохозяйственных культур для биотоплива поглощает значительную часть углекислого газа, выделяемого в атмосферу при производстве этого биотоплива и при его сжигании. Это резко контрастирует с использованием ископаемого топлива. Использование этанола также позволит решить проблемы хранения и инфраструктуры, связанные с водородом при использовании в топливных элементах. В топливном элементе окисление любого топлива требует использования катализатора для достижения плотности тока, необходимой для коммерчески жизнеспособных топливных элементов, а платиновые катализаторы – одни из наиболее эффективных материалов для окисления малых органических молекул.

Проблемы

Катализаторы на основе платины дороги, поэтому для практического использования этанола в качестве топлива для топливного элемента PEM требуется новый катализатор. Разработаны новые наноструктурированные электрокатализаторы (например, HYPERMEC от ACTA SpA), основанные на неблагородных металлах, преимущественно смесях Fe, Co, Ni на аноде и Ni, Fe или Co по отдельности на катоде. При использовании самодышащих ячеек с коммерческими анионообменными мембранами, при 25 °C с этанолом получены значения плотности мощности до 140 мВт/см² при 0,5 В. Этот катализатор не содержит драгоценных металлов. На практике мельчайшие частицы металла закрепляются на подложке таким образом, чтобы создать высокоактивный катализатор. Полимер выполняет функцию электролита. Перенос заряда осуществляется ионом водорода (протоном). Жидкий этанол (C2H5OH) окисляется на аноде в присутствии воды, образуя CO2, ионы водорода и электроны. Ионы водорода перемещаются через электролит и реагируют на катоде с кислородом из воздуха и электронами из внешней цепи, образуя воду. Топливные элементы на основе биоэтанола могут улучшить баланс "от колодца до колеса" для этого биотоплива благодаря более высокой скорости преобразования в топливном элементе по сравнению с двигателем внутреннего сгорания. Однако реальных показателей можно достичь лишь через несколько лет, поскольку разработка топливных элементов прямого действия на метаноле и этаноле отстает от разработки топливных элементов на водородной энергии.

Недавние достижения

13 мая 2007 года команда Университета прикладных наук в Оффенбурге представила первый в мире автомобиль, работающий на DEFC, на Eco-marathon Shell во Франции. Автомобиль "Schluckspecht" успешно прошел тестовую поездку на трассе Ногаро, питаемый от стека DEFC, обеспечивающего выходное напряжение от 20 до 45 В (в зависимости от нагрузки). Было создано и протестировано несколько прототипов мобильных зарядных устройств на основе прямой этанольной топливной ячейки (DEFC) с напряжением от 2 до 7 В и мощностью от 800 мВт до 2 Вт.