В то время как источники энергии, такие как ветер и солнце, отлично подходят для производства электроэнергии без выбросов, они зависят от солнца и ветра, поэтому предложение не всегда соответствует спросу. Точно так же атомные электростанции работают более эффективно на максимальной мощности, поэтому производство электроэнергии нельзя легко увеличить или уменьшить, чтобы удовлетворить спрос.
На протяжении десятилетий исследователи в области энергетики пытались решить одну большую проблему: как хранить избыточную электроэнергию, чтобы ее можно было вернуть в сеть, когда она понадобится?
Недавно исследователи из Национальной лаборатории Айдахо помогли решить эту проблему, разработав новый электродный материал для электрохимической ячейки, который может эффективно преобразовывать избыточное электричество и воду в водород. Когда спрос на электроэнергию увеличивается, электрохимическая ячейка становится обратимой, превращая водород обратно в электричество для сети. Водород также можно использовать в качестве топлива для отопления, транспортных средств и других целей.
Результаты были опубликованы на этой неделе в журнале Nature Communications.
Исследователи уже давно признали потенциал водорода как носителя энергии, сказал Донг Дин, старший инженер/ученый и руководитель группы химической обработки в INL.
«Большая задача по хранению энергии с ее разнообразными потребностями в исследованиях и разработках открыла больше возможностей для водорода», - сказал Дин. «Мы нацелены на использование водорода в качестве промежуточного звена для эффективного хранения энергии».
Динг и его коллеги усовершенствовали один тип электрохимической ячейки, называемой протонной керамической электрохимической ячейкой (PCEC), которая использует электричество для расщепления пара на водород и кислород.
Однако в прошлом у этих устройств были ограничения, особенно тот факт, что они работают при температурах до 800 градусов C. Высокие температуры требуют дорогих материалов и приводят к более быстрой деградации, что делает электрохимические элементы непомерно дорогими.
В статье Дин и его коллеги описывают новый материал для кислородного электрода - проводник, который одновременно способствует реакциям расщепления воды и восстановления кислорода. В отличие от большинства электрохимических элементов, этот новый материал - оксид соединения, называемого перовскитом, - позволяет элементу преобразовывать водород и кислород в электричество без дополнительного водорода..
Ранее Дин и его коллеги разработали трехмерную сетчатую архитектуру для электрода, которая позволила увеличить площадь поверхности для разделения воды на водород и кислород. Вместе две технологии - сетчатый 3D-электрод и электрод из нового материала - обеспечили самоподдерживающуюся обратимую работу при температуре от 400 до 600 градусов по Цельсию.
«Мы продемонстрировали возможность обратимой работы PCEC при таких низких температурах для преобразования образующегося водорода в режиме гидролиза в электричество без какой-либо внешней подачи водорода в автономном режиме», - сказал Дин. «Это большой шаг вперед для высокотемпературного электролиза».
В то время как предыдущие кислородные электроды проводили только электроны и ионы кислорода, новый перовскит обладает «тройной проводимостью», сказал Дин, что означает, что он проводит электроны, ионы кислорода и протоны. С практической точки зрения, электрод с тремя проводниками означает, что реакция протекает быстрее и эффективнее, поэтому рабочая температура может быть снижена при сохранении хороших характеристик.
Для Дина и его коллег хитрость заключалась в том, чтобы выяснить, как добавить элемент в перовскитовый электродный материал, который придал бы ему свойства тройной проводимости - процесс, называемый легированием.«Мы успешно продемонстрировали эффективную стратегию легирования для разработки хорошего оксида с тройной проводимостью, который обеспечивает хорошие характеристики ячейки при пониженных температурах», - сказал Ханпин Дин, материаловед и инженер из Группы химической обработки Национальной лаборатории Айдахо.
В будущем Донг Дин и его коллеги надеются продолжить совершенствование электрохимического элемента, сочетая инновационные материалы с передовыми производственными процессами, чтобы эту технологию можно было использовать в промышленных масштабах.