В рамках исследования, которое может стимулировать работу над рядом технологий, включая топливные элементы – ключевые для хранения солнечной и ветровой энергии – исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) нашли относительно простой способ увеличить срок службы этих устройств: изменение «pH» системы.
Министерство энергетики США объясняет, как работают топливные элементы:
Топливные элементы работают как батареи, но они не разряжаются и не требуют подзарядки. Они производят электричество и тепло до тех пор, пока подается топливо. Топливный элемент состоит из двух электродов – отрицательного (анода) и положительного (катода), зажатых между электролитом. Топливо, такое как водород, подается на анод, а воздух – на катод.
Топливные и электролизные ячейки, изготовленные из материалов, известных как твердооксидные, представляют интерес, поскольку в режиме электролиза они эффективно преобразуют электричество из источника чистой энергии в хранимое топливо, такое как водород, которое может использоваться в режиме топливных элементов для выработки электроэнергии, когда солнце не светит или ветер не дует. Их также можно изготавливать без использования дорогостоящих металлов, таких как платина.
Однако их коммерческая жизнеспособность была ограничена, отчасти из-за их постепенной деградации. Атомы металлов, просачивающиеся из соединителей, используемых для сборки батарей топливных/электролизных ячеек, медленно отравляют устройства.
Что сделали исследователи
В режиме электролиза электричество, например, от ветра, может быть использовано для производства хранимого топлива, такого как водород. С другой стороны, в обратной реакции топливного элемента это хранимое топливо может быть использовано для выработки электроэнергии, когда ветер не дует.
Рабочий топливный/электролизный элемент состоит из множества отдельных ячеек, которые собраны вместе и соединены стальными металлическими соединителями, содержащими элемент хром, чтобы предотвратить окисление металла.
Но, как сказал Гарри Л. Таллер, профессор керамики и электронных материалов имени Р.П. Симмонса на факультете материаловедения и инженерии MIT:
Оказывается, при высоких температурах, при которых работают эти ячейки, часть этого хрома испаряется и мигрирует на границу раздела между катодом и электролитом, отравляя реакцию внедрения кислорода.
После определенного момента эффективность ячейки снижается до уровня, когда ее дальнейшая эксплуатация становится нецелесообразной.
«Таким образом, если вы сможете продлить срок службы топливного/электролизного элемента, замедляя этот процесс, или, в идеале, обращая его, вы можете добиться значительного прогресса в его практическом применении», – продолжил Таллер.
Команда показала, что можно сделать и то, и другое, контролируя кислотность поверхности катода.
Изменение кислотности
Исследователи объяснили, что происходит: для достижения своих результатов команда покрыла катод топливного/электролизного элемента оксидом лития, соединением, которое изменяет относительную кислотность поверхности с кислой на более щелочную.
«Добавив небольшое количество лития, мы смогли восстановить первоначальную производительность отравленной ячейки», – сказал Таллер.
Когда команда добавила еще больше лития, производительность улучшилась гораздо больше, чем первоначальное значение.
Таллер добавил: «Мы наблюдали улучшение скорости ключевой реакции восстановления кислорода на три-четыре порядка величины и объясняем это изменение насыщением поверхности электрода электронами, необходимыми для ускорения реакции внедрения кислорода».
Исследователи наблюдали за материалом на наноуровне, или на уровне миллиардных долей метра, с помощью передовой просвечивающей электронной микроскопии и спектроскопии энергетических потерь электронов.
Джеймс М. ЛеБо, еще один профессор MIT, участвовавший в исследовании, сказал:
Нас интересовало понимание распределения различных химических добавок [хрома и оксида лития] на поверхности.
Команда обнаружила, что оксид лития эффективно растворяет хром, образуя стекловидный материал, который больше не ухудшает производительность катода.
Почему это важно
Исследование, опубликованное в этом месяце в журнале Energy & Environmental Science, изначально финансировалось Министерством энергетики США через Национальную лабораторию энергетических технологий (NETL) Управления по управлению энергетическими ресурсами и сокращению выбросов углерода (FECM). Оно должно помочь DOE достичь своей цели по значительному снижению скорости деградации твердооксидных топливных элементов к 2035-2050 годам.
Роберт Шреценгост, исполняющий обязанности директора Отдела водородной энергетики и управления углеродными ресурсами FECM, сказал:
Продление срока службы твердооксидных топливных элементов способствует низкостоимостному, высокоэффективному производству водорода и выработке электроэнергии, необходимых для будущего чистой энергетики.
Министерство энергетики [DOE] приветствует эти достижения в области развития и, в конечном итоге, коммерциализации этих технологий, чтобы мы могли обеспечить чистое и надежное энергоснабжение американского народа.
Благодарим Элизабет А. Томпсон из Лаборатории материаловедения MIT.
Читайте также: Volvo тестирует первый в мире шарнирно-сочлененный самосвал на водородном топливе
Фото: «Влияние гетерогенных микроструктур на перколяцию сети в электродах твердооксидных топливных элементов с использованием рентгеновской микроскопии» от ZEISS Microscopy под лицензией CC BY-NC-ND 2.0.
UnderstandSolar — это бесплатный сервис, который связывает вас с лучшими установщиками солнечных батарей в вашем регионе для получения индивидуальных смет. Tesla теперь предлагает сопоставление цен, поэтому важно сравнивать предложения. Нажмите здесь, чтобы узнать больше и получить свои сметы. — *реклама.