Прототип проработал более 5000 часов при температуре 600 °C и влажности 40 процентов, вырабатывая электроэнергию и водород путем электролиза.
Топливный элемент накапливает и вырабатывает электроэнергию под воздействием тепла и пара, помогая создать гибкую сеть, которая адаптируется к меняющемуся спросу на энергию.
WVU/Микаэла Морриссетт
Инженеры из Университета Западной Вирджинии разработали усовершенствованный топливный элемент, который может произвести революцию в современной энергосистеме за счет эффективной обработки различных источников энергии, таких как солнечная и ветровая.
Разработанная командой протонная керамическая электрохимическая ячейка (PCEC) хранит и генерирует электроэнергию, а также производит водород из воды.
По словам исследователей, в отличие от более ранних конструкций топливный элемент WVU стабильно работает в условиях высоких температур и пара благодаря новой структуре «конформно покрытого каркаса».
Успешно пройдя испытания в течение более 5000 часов при температуре 600 °C, он значительно превосходит предыдущие модели, предлагая надежное решение для интеграции возобновляемых источников энергии в электросеть США.
Стабильная технология электролиза
Интеграция непостоянных источников энергии, таких как ветер и солнце, в электросеть требует современных решений по преобразованию и хранению энергии, поскольку набирает обороты процесс декарбонизации энергетического сектора.
Эксперты полагают, что, переключаясь между хранением и выработкой энергии, PCEC предлагают важнейшее решение для перегруженной электросети США, которая должна справляться с непредсказуемым поступлением энергии из различных источников, включая традиционные электростанции, гидроэлектростанции, солнечные батареи на крышах домов и системы, использующие морские волны.
Однако существующие PCEC страдают от плохой долговременной стабильности в условиях высоких температур и большого количества пара в промышленных условиях из-за деградации материала и слабой связи электрод-электролит.
«В ответ на это наша группа создала конструкцию с конформным покрытием (CCS), соединив электролиты, и мы покрыли и загерметизировали ее слоем электрокатализатора, который стабилен в паре, поглощает воду и остается нетронутым при повышении и понижении температуры.
Протоны, тепло и электричество могут перемещаться через эту структуру», — сказал в своем заявлении Синбо Лю, профессор материаловедения и заместитель декана по исследованиям в Колледже инженерии и минеральных ресурсов Западно-Вирджинского университета.
Прототип, разработанный командой WYU, продемонстрировал исключительную долговечность, проработав более 5000 часов при температуре 600 градусов по Цельсию и влажности 40 процентов. В течение этого времени он осуществлял непрерывный электролиз, расщепляя молекулы воды для получения как электричества, так и водорода.
Пароустойчивые топливные элементы
Новая конструкция значительно усовершенствована по сравнению с предыдущими технологиями протонных керамических электрохимических ячеек (PCEC), которые работали гораздо меньше и демонстрировали заметное ухудшение производительности с течением времени, при этом предыдущий эталонный показатель составлял всего 1833 часа.
Команда WVU предложила структуру CCS для преодоления недостатков предыдущих проектов. Этот проект не только выдающийся в плане генерации энергии, но и демонстрирует большую эффективность в плане ее хранения.
Их система на основе CCS продемонстрировала стабильность во время повторяющихся и плавных переходов между режимами топливных элементов и электролиза в течение длительных 12-часовых циклов. В современной энергосистеме, которая становится все более зависимой от прерывистых возобновляемых источников энергии, эта способность к динамическому переключению имеет решающее значение для поддержания равновесия.
Команда занялась решением давних проблем с PCEC, таких как деградация электролитов под воздействием пара и тепловое несоответствие между электролитами и кислородными электродами, что приводит к ослаблению соединений при высоких температурах.
Включение ионов бария в покрытие было разработано для облегчения протонной проводимости путем повышения его способности удерживать воду. Для масштабирования ячеек CCS при обеспечении структурной стабильности были использованы ионы никеля.
Кроме того, поскольку система работает с водяным паром, она может использовать соленую воду или воду низкого качества, тем самым снижая зависимость от очищенной воды и делая ее пригодной для различных сред и сетевых применений.
«Все это обещает масштабирование до промышленного уровня. Мы показали, что возможно производить в больших масштабах топливные элементы CCS, которые будут оставаться прочными и стабильными в интенсивных условиях», — сказал Ханчен Тянь, докторант и научный сотрудник WVU на момент исследования, в своем заявлении.
Подробности исследования группы были опубликованы в журнале Nature Energy.
Sourse: interestingengineering.com
