Производство электроэнергии напрямую из биомассы

Источник: gaceta soytotalmentepalacio

Низкотемпературные топливные элементы, работающие на метаноле или водороде, хорошо известны. Но существующие технологии не позволяют использовать биомассу в качестве источника электроэнергии напрямую. Это связано с отсутствием эффективной системы катализаторов для натуральных полимерных материалов. Теперь исследователи из Технологического института Джорджии (США) представили новый тип низкотемпературного топливного элемента. Устройство непосредственно преобразует биомассу в электроэнергию с помощью катализатора, активируемого солнечным светом или тепловой энергией. Гибридный топливный элемент может использовать широкий спектр типов биомассы, в том числе крахмал, целлюлозу, лигнин, просо, порошкообразное дерево, водоросли и отходы от переработки птицы. Устройство легко масштабируется от небольших установок для обеспечения электричеством домохозяйств в развивающихся странах до крупных станций, действующих в регионах с большим количеством доступной биомассы.

Как отмечает руководитель проекта профессор Юлин Дэн, новый метод обработки биомассы при комнатной температуре является весьма универсальным. Углерод — углеродные связи в природном полимере (биомассе) с трудом разбиваются обычными катализаторами, в том числе и катализаторами на основе благородных металлов. Для решения этой проблемы ученые разработали микробные топливные элементы, в которых биомасса расщепляется ферментами или микроорганизмами. Но такой процесс имеет множество недостатков — мощность топливных элементов ограничена, микробы или ферменты ориентированы на конкретные типы биомассы, и микробная система может быть выключена под действием многих факторов. Команда профессора Дэна пошла другим путем — они использовали внешний источник энергии для активации окислительно-восстановительной реакции в топливном элементе.

Измельченная биомасса перед загрузкой в устройство смешивается с раствором полиоксометалата (POM). POM, фотохимический и термохимический катализатор, выполняет функции окислителя и носителя зарядов. Катализатор окисляет биомассу под действием света или тепловой энергии, и переносит заряды из биомассы к аноду топливного элемента. Электроны затем транспортируются к катоду, где они поступают во внешнюю цепь для производства электроэнергии. Система обеспечивает значительные преимущества — фотохимическая реакция и деградация биомассы объединены в одном процессе. Кроме того, в ней не используются дорогие анодные катализаторы из благородных металлов. Наконец, благодаря химической стабильности POM, в гибридном топливном элементе можно использовать биомассу без предварительной очистки, не заботясь об отравлении катализатора какими-либо примесями. В систему можно загружать как растворимую биомассу, так и органические материалы, взвешенные в жидкости.

В проведенных экспериментах топливный элемент работал без перерыва в течение 20 часов. Также выяснилось, что POM катализатор может использоваться повторно, без дополнительной обработки. Максимальная плотность мощности элемента составляет 0,72 милливатта на квадратный сантиметр, что почти в 100 раз выше, чем у топливных элементов, работающих на целлюлозе и специальных микробах. По мнению профессора Дэна, выход энергии может быть увеличен в 5 — 10 раз, когда процесс будет оптимизирован. Для этого необходимо составить более полное представление о протекающих в системе химических процессах и вариантах их улучшения. Исследователи также собираются сравнить работу системы, индуцируемой солнечной энергией, и системы, запускаемой тепловой энергией от внешних процессов. Но уже сейчас очевидно, что новое устройство является более стабильным в работе и имеет меньшую стоимость по сравнению с другими типами топливных элементов.

Рисунок: physorg.com