Den ökande globala efterfrågan på energi, i kombination med den snabbt växande befolkningen, har lett till en kraftig ökning av fossila bränslens användning. Denna utveckling har i sin tur bidragit till en ökning av CO2-utsläpp och andra växthusgaser, vilket är centrala faktorer bakom den globala uppvärmningen och en rad miljöproblem. För att motverka dessa negativa effekter krävs det en kraftig ökning av användningen av förnybara energikällor och deras fördelade omvandlingsteknologier världen över, särskilt i utvecklingsländer. Bland de olika miljövänliga alternativ som finns för energikonvertering, utmärker sig bränsleceller på grund av deras förmåga att direkt omvandla den kemiska energin från ett bränsle till elektricitet via elektrokemiska reaktioner.

Bränsleceller erbjuder en lovande lösning som ett miljövänligt alternativ till konventionella fossildrivna motorer och anses vara en nyckelteknologi för framtidens renare energilösningar. Särskilt intresset för direkt etanolbränsleceller (DEFC) har vuxit, eftersom de erbjuder hög effektivitet och miljövänliga egenskaper. Med deras teoretiskt höga energitäthet, hållbarhet, portabilitet, lagringsmöjligheter och unika fysikalisk-kemiska egenskaper, anses DEFC vara en stark kandidat inom bränslecellstekniken. Dock innebär den typiska designen av DEFC, som använder sura protonutbytesmembran (PEM), ofta ineffektiv etanoloxidation, vilket leder till nedsatt energieffektivitet. Senare forskning visar dock att en ersättning av sura elektrolyter med alkaliska alternativ, såsom hydroxidutbytesjonomer och hydroxidutbytesmembran, kan förbättra etanolens elektro-oxidering och därigenom öka cellens övergripande prestanda.

Utvecklingen av alkaliska miljöer har också haft positiva effekter på syre-reduktionreaktionen (ORR) och etanol-oxideringsreaktionen (EOR). Användningen av billigare, icke-metalliska elektrokatalysatorer gör alkaliska DEFC till ett ännu mer lovande alternativ. Direkt metanolbränsleceller (DMFC) som använder metanol, en enkelt oxiderbar alkohol, har också uppmärksammats. Men DMFC lider av flera tekniska problem, såsom allvarlig metanolövergång, långsam anodreaktionskinetik och säkerhetsproblem på grund av metanols toxicitet och volatilitet, vilket hindrar deras storskaliga användning. Etanol, å andra sidan, är mindre giftigt och erbjuder ett mer energieffektivt alternativ med potential för hållbar produktion från jordbruksavfall eller biomassa. Eftersom etanol anses vara ett koldioxidneutralt bränsle under hela dess livscykel, representerar det en förnybar energikälla som har många fördelar, inklusive enkel hantering, transport och lagring, vilket gör det till ett attraktivt alternativ som bränsle.

Huvudmålet för DEFC är att oxidera etanol till koldioxid, en process som frigör 12 elektroner per etanolmolekyl, jämfört med de 6 elektroner som frigörs vid metanoloxidation i DMFC. Dock visar DEFC ofta lägre oxidationshastigheter, påverkade av faktorer som katalysatortyp, membrankvalitet, bränslekomposition samt driftsförhållanden som temperatur och koncentration. Därför pågår omfattande forskningsinsatser för att förbättra energieffektiviteten för etanol i DEFC. Bränsleceller är kända för sina överlägsna bränsleomvandlings- och elektriska effektivitet jämfört med konventionella förbränningsmotorer, och de producerar minimala toxikologiska utsläpp som NOx, ozon och partiklar. Med fördelar som modularitet, tyst drift, hög bränsleutnyttjandegrad och förmåga att generera både värme och elektricitet på plats, framstår bränsleceller som en attraktiv lösning för framtidens transportmedel, stationär och bärbar kraftproduktion.

En stor barriär för den bredare kommersialiseringen av bränslecellsteknologier, särskilt inom transportsektorn, är de nuvarande utmaningarna med att etablera kostnadseffektiva metanlagringsmetoder och den nästan obefintliga infrastrukturen för transport och distribution av väte. Användningen av flytande bränslen, som etanol och metanol i bränsleceller, kan kringgå behovet av omfattande infrastrukturförändringar som krävs för vätebaserade system. Infrastruktur för användning av etanol som transportbränsle finns redan på plats, eller kan enkelt anpassas. Brasilien är ett bra exempel på bioetanolproduktion och användning i transportsektorn, där bioetanol är i betydande användning.

Biobränslen som metanol och etanol erbjuder en CO2-neutral alternativ kraftgenerering när de härrör från biomassa, vilket bidrar till en övergripande minskning av CO2-utsläpp och andra föroreningar. Med den möjliga framtida topproduktionen av olja och minskande oljereserver erbjuder biobränslen också regional säkerhet för transporter. De råmaterial som används för bioetanolproduktion är mångsidiga och inkluderar sockerrör, majs, betor, vete, sojabönor eller till och med rikliga lågkvalitativa cellulosamaterial som träflis och jordbruks- eller kommunalt avfall. USA och Brasilien är de största producenterna, och de står för ungefär 87 % av den globala etanolproduktionen. Trots att konkurrensen mellan produktion av bioetanol från livsmedelsgrödor och livsmedelskedjan väcker oro, är den totala energibalansen vanligtvis fördelaktig, särskilt när etanol produceras från icke-ätbar biomassa.

I sammanhanget av alkoholbaserade bränsleceller pågår stora utvecklingsinsatser för system som använder direkt metanol (där metanol konsumeras direkt i de elektrokemiska reaktionerna) och indirekta metanolsystem (där metanol omvandlas till väte för traditionella bränsleceller), särskilt för bärbar kraftproduktion. Flytande bränslebaserade bränsleceller presenterar för närvarande ett stort löfte, särskilt i applikationer där energieffektivitet, hållbarhet och infrastruktur är viktiga faktorer.

Hur kan vi minska användningen av dyra katalysatorer i direkt vätske bränsleceller?

En av de största utmaningarna för direkt vätske bränsleceller (DLFC), särskilt när man använder ädelmetallkatalysatorer som platina (Pt), är att hitta effektiva lösningar för att minska katalysatorbelastningen eller ersätta den med billigare alternativ, samtidigt som man bibehåller prestanda och tillförlitlighet. Den huvudsakliga orsaken till denna utmaning är de höga produktionskostnaderna som uppstår genom användning av dyra katalysatorer som platina och palladium. Därför har mycket forskning koncentrerats på att utveckla mer effektiva och kostnadseffektiva lösningar.

En lovande strategi för att minska mängden katalysator är att förbättra katalysatorns utnyttjandegrad. Detta kan uppnås genom att utveckla avancerade stödmateriel som exempelvis kolnanofibrer, kolnanorör, mesoporöst kol och grafen, som ökar den aktiva ytan och förbättrar kontakten mellan katalysatorn och bränslet. Ett exempel på detta arbete presenterades av Zainoodin et al., som jämförde effekten av olika stödmateriel på DMFC (direkt metanol bränslecell) prestanda. Med en samma katalysatorbelastning på 8 mg cm−2 för både anod och katod, visade en anod stödd med kolnanofibrer en topp-effekt på 18.3 mW cm−2, vilket var högre än den konventionella anoden som stöddes av kolsvart med 12.6 mW cm−2. Detta resultat bekräftade att kolnanofibrer kan öka katalysatorns utnyttjandegrad av DMFC, vilket innebär att katalysatorbelastningen kan minskas samtidigt som samma prestanda som med traditionella material bibehålls.

Förutom utveckling av nya stödmateriel, kan även optimering av elektrodstrukturen minska katalysatorbelastningen. Almheiri et al. visade att med en katalysatorbelastning på 4 mg cm−2 PtRu, kunde en högre effekt på 104 mW cm−2 uppnås i ett aktivt system av DMFC. Liu et al. påpekade att användningen av en ultraljudssprutningsmetod för tillverkning av membran-elektrodassemblage (MEA) kan förändra katalysatorns porstruktur och därmed förbättra prestandan för samma mängd katalysatorbelastning. Trots dessa framsteg, är katalysatorbelastningen i dagsläget fortfarande hög i jämförelse med väte-drivna PEMFC (proton exchange membrane fuel cell), vilket innebär att fortsatt forskning krävs för att lösa problemet med den höga katalysatorbelastningen och därmed sänka kostnaden för ädelmetallkatalysatorer i DLFC.

Tillverkningen av DLFC är en komplex process som kräver exakt ingenjörskonst för att säkerställa hög prestanda och hållbarhet. Den inledande processen innebär produktion av katalysatormaterial, ofta baserade på platina eller palladium, som finfördelas på kolbaserade stödmateriel för att maximera den aktiva ytan. Därefter följer tillverkningen av MEA, som är den centrala komponenten i en DLFC. När MEA är färdigställs, integreras den i en enskild cell tillsammans med flödesplattor, packningar och andra komponenter som säkerställer en korrekt bränslefördelning och elektrisk kontakt. Efter det sammanställs flera celler till en bränslecellstack som ökar effektuttaget. Denna process kräver noggrann justering för att minimera resistiva förluster och säkerställa en jämn prestanda över hela stacken. Automatiserade produktionslinjer används allt mer för att förbättra effektiviteten och minska arbetskostnaderna.

Trots att de initiala prototyperna för DMFC har uppnått vissa framgångar, som till exempel Toshibas DMFC-prototyp för laptops, är det fortfarande många utmaningar kvar innan massproduktion blir möjlig. Medan vissa företag som LG Chem och Panasonic har uppnått framsteg i att förbättra kapaciteten och effektiviteten hos dessa bärbara bränsleceller, står den största utmaningen kvar i att minska produktionskostnaderna. För att göra dessa bränsleceller konkurrenskraftiga på marknaden måste tillverkningskostnaderna reduceras avsevärt. Kostnaden för specialbyggda bränslecellsystem kan i dagsläget vara mellan 3 300 till 5 500 dollar per kW, medan för privatbilar behöver kostnaderna hållas på cirka 55 dollar per kW för att vara konkurrenskraftiga.

Förutom att hantera de tekniska aspekterna av DLFC-tillverkning, måste det också tas hänsyn till infrastruktur och politiskt stöd för att främja kommersialiseringen av dessa teknologier. Medan vätebaserade bränsleceller (PEMFC) kräver en omfattande infrastruktur för väteproduktion och -distribution, är infrastrukturen för metanol, särskilt för DMFC, relativt välutvecklad. Metanol har använts i blandning med bensin och är etablerat som ett alternativt bränsle i många industrisektorer. Detta innebär att distributionen av metanol, även om det finns säkerhetsproblem med metanols toxicitet, inte är lika komplex som väte. Enligt rapporter från Methanol Institute är de låga doserna av metanol som frisätts vid tankning av metanolbränslecellfordon inte farliga för människor under normala förhållanden. Dock är det viktigt att fortsatt beakta riskerna för förgiftning via intag, hud- eller ögonkontakt samt inandning.

Med tanke på alla dessa faktorer är det uppenbart att medan stora framsteg redan har gjorts inom DLFC-teknologin, så återstår det fortfarande mycket forskning och innovation innan dessa system kan implementeras kommersiellt på bred front. Det krävs både teknologiska och ekonomiska genomslag för att möta marknadens behov och skapa ett hållbart och kostnadseffektivt bränslecellsystem som kan konkurrera med andra energilösningar.

Hur man gör empanadas: En guide till traditionell och innovativ fyllning
Hur Djurvärlden Är Uppbyggd: En Färd Genom Riken och Fylen
Hur man lär hunden att öppna dörrar och utföra användbara trick