محققان آیداهو سلول سوخت / الکترولیز را کارآمدتر و پایدار می کنند

Neusse – در یک آزمایشگاه نامشخص از آیداهو فالز ، آیداهو ، وی تانگ ، ونژوان بیان و دونگ دینگ مواد انرژی بسیار پیشرفته ای را از صفر ایجاد می کنند.

محققان و همکارانشان از آزمایشگاه ملی آیداهو (INL) یک دستگاه تبدیل انرژی الکتروشیمیایی به نام سلول سرامیکی سرامیکی / الکترولیز در سرامیک پروتون (PCFC / PCEC) تولید می کنند. این دستگاه ها به زودی می توانند به هیدروژن کمک کنند تا نقش بزرگی در آینده انرژی کشور داشته باشد. محققان با پودرهای حاوی عناصر و ترکیبات لازم برای سنتز مواد بحرانی شروع می کنند ، آنها را مخلوط کرده و آنها را در ساندویچ های چند لایه نازک تر از دستگاه های چند لایه که ساختار دستگاه های الکتروشیمیایی سرامیکی را تشکیل می دهند ، قرار می دهند.

PCFC / PCEC در اصل همان دستگاه است که به سادگی در جهت های مخالف کار می کند. در حالت باتری قابل احتراق (PCFC) ، دستگاه هیدروژن را در آند مصرف می کند و اکسیژن را از هوا در کاتد می گیرد تا آب تشکیل شود و برق تولید کند. در حالت سلول الکترولیز (PCEC) ، دستگاه آب و برق را به هیدروژن و اکسیژن تبدیل می کند.

این دو حالت مختلف می توانند انعطاف پذیری قابل توجهی خدمات عمومی ارائه دهند. هنگامی که برق فراوان است و قیمت آن در شبکه پایین است ، دستگاه می تواند بخار و برق را به هیدروژن تبدیل کند که می تواند برای تولید شیمیایی صنعتی ذخیره یا استفاده شود. هنگامی که برق نادر است و قیمت آن زیاد است ، سلول می تواند وارونه کار کند و هیدروژن ذخیره شده در برق را تبدیل کند.

این دستگاه ها برای بسیاری از فرآیندهای صنعتی یک مزیت گرانبهای دیگر دارند: برخلاف سلولهای رسانا یون اکسیژن که در حالت سلول سوخت ، مولکول های آب را در سمت H2 تولید می کنند یا در حالت الکترولیز ، بخار برق در سمت هیدروژن ، دستگاه های PCFC / PCEC از طرف هوا تولید می کنند یا آب را تغذیه می کنند. این امر از مراحل پرهزینه سوخت یا مراحل تصفیه هیدروژن جلوگیری می کند.

بر چالش های کلیدی غلبه کنید

محققان راهی را برای ساختن این سلولهایی که بر چندین چالش مهم غلبه می کنند ، طراحی کرده اند. نتایج در مجله سنتز طبیعت بسیار محترم منتشر شده است.

دفتر فن آوری های هیدروژن و باتری های سوخت از وزارت انرژی ایالات متحده این پروژه را به عنوان بخشی از برنامه سلولهای الکتروشیمیایی سرامیکی پروتون تأمین کرد.

برای تبدیل گرمای ارزان قیمت (به شکل قدرت نیروگاه ها ، از جمله نیروگاه های هسته ای) و برق هیدروژن با ارزش بالا از طریق الکترولیز بخار با درجه حرارت بالا ، محققان باید این سلول ها را مؤثر ، با دوام و سودآور جلوه دهند.

اگرچه نسخه های گذشته سلولها در جهت سلولهای سوخت (یعنی تبدیل هیدروژن به برق) به خوبی کار کرده اند ، اما به دلیل غلظت بالای بخار مورد نیاز برای تولید هیدروژن مؤثر ، در حالت تولید هیدروژن ناپایدار شده اند.

برای افزایش پایداری فناوری ، محققان ساندویچ سرامیکی چند لایه را گره زدند و راه حلی پیدا کردند.

Perovskites: سرامیکی با خواص مفید و قابل تنظیم

ماده اصلی مورد استفاده برای ساخت دستگاه PCEC ، سرامیکی به نام Perovskite است. این خانواده از ترکیبات دارای یک ساختار کریستالی با تحمل بالا برای تغییرات ترکیب هستند که باعث می شود تغییرات مربوط به خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آنها باشد. Perovskites و همراهان آنها در طیف گسترده ای از فن آوری های انرژی از جمله سلول های سوخت و پانل های خورشیدی استفاده می کنند.

محققان سعی کردند PCEC را با استفاده از دو لایه سرامیکی که سرخ شده (ترکیبی) با گرمای درجه حرارت بالا هستند ، بسازند. با این حال ، بسته به نوع سرامیک مورد استفاده ، یا اثربخشی تولید هیدروژن یا پایداری طولانی مدت رنج می برد.

الکترولیت های رسانا پروتونهای سرامیکی پیشرفته شامل BACEO3 ، Bazro3 با عناصر زمینی (یعنی Yttrium ، Yterbium) و راه حل های جامد Bazrxce1-Xo3 آنها است. الکترولیتهای پروسکیت سرشار از سریریوم به طور کلی دارای رسانایی بالاتری هستند ، اما از پایداری شیمیایی ضعیف در جوهای اسید مانند بخار رنج می برند. محلول خوردگی فشار بالا توسط یک الکترولیت از Pérovskite بدون این استفاده می شود ، مانند BAZR0.8Y0.2O3 – δ (BZY) ، که در شرایط بخار زیاد در طول الکترولیز آب بسیار پایدار است.

اگرچه او بهترین کاندیدای عملکرد PCEC است ، اما پیچیدن به صورت متراکم دشوار است. این نقص باعث افزایش هزینه های درمانی می شود و تأثیر منفی بر عملکرد سلولهای الکتروشیمیایی دارد.

برای غلبه بر این چالش ها ، محققان طراحی جدیدی از مهندسی سازه را ساخته اند. آنها ساختار چند لایه نیمه سلولی را دوباره طراحی کردند: آنها با استفاده از الکترولیت پخت و پز بالا BACE0.7ZR0.1Y0.2O3 – δ (BCZY) با اکسید نیکل (BCZY + NIO) برای لایه پشتیبانی و از یک لایه بافر (Bzy + Nio) برای کاهش دفاع از پشتیبانی و الکترولیت استفاده کردند.

این اصلاحات چهار لایه از دستگاه را تشکیل می دهد: یک الکترود هوا / بخار متخلخل. یک اکسید الکترولیت نازک از پرووسکیت در باریم ، زیرکونیوم و yttrium (bzy). یک لایه عملکردی در الکترولیت BZY و نیکل اکسید (BZY + NIO). و یک لایه از باریم ، سریم ، زیرکونیوم ، yttrium و اکسید نیکل (bczy + nio).

لایه پشتیبانی فعال در Tédaine High به تراکم الکترولیت در دمای بسیار پایین تر کمک می کند. لایه عملکردی اضافی همچنین با جلوگیری از انتشار سریم در الکترولیت ، عملکرد را بهبود می بخشد ، که منجر به بی ثباتی در شرایط بخار بالا می شود.

علاوه بر این ، لایه عملکردی محدودیت باریک لایه پشتیبانی فعال ساده شده با الکترولیت را کاهش می دهد ، که همچنین باعث بهبود پایداری ساختاری سلول به درجه حرارت بالاتر می شود.

بهترین عملکرد و ثبات

سلول الکتروشیمیایی حاصل عملکرد بهتری در کارآیی که با استفاده از آن برق به سلول الکترولیز بخار را به هیدروژن تبدیل می کند (به نام کارآیی فارادیک) نشان می دهد. به عبارت دیگر ، سلول جدید میزان تولید هیدروژن بالاتری دارد.

بیان گفت: “این ماده می تواند یونهای بیشتری را انجام دهد و باعث نشت الکترونیکی کمتری برای تولید هیدروژن در زیر جو بخار زیاد شود که این یک وضعیت سخت برای الکترولیزر سرامیکی است.” “هدایت بالاتر و طول عمر بیشتر به معنای عملکرد بهتر است. دستگاه ما بهترین عملکرد تولید هیدروژن را نشان می دهد. رسیدن به عملکرد عالی و طول عمر طولانی به طور کلی دشوار است ، اما ما به لطف طراحی و مهندسی ساختاری موفق شده ایم.”

این ماده آب بیشتری را به صورت بخار به سیستم اضافه می کند. تانگ گفت: “راندمان فارادیک بسیار بیشتر است.” “با این چگالی جریان بالا ، تولید هیدروژن مؤثرتر است. ضایعات انرژی کمتری ، میزان تولید هیدروژن بالاتر و راندمان انرژی بالاتر وجود دارد.”

پرانرژی آینده را از صفر بپزید

ساخت این سلولهای بسیار پیشرفته کاملاً با پخت و پز در آشپزخانه متفاوت نیست. مواد تشکیل دهنده – پیش سازهای باریم ، سریم ، زیرکونیوم و yttrium – در یک میکسر ریخته می شوند. در این حالت ، میکسر یک سنگ شکن سیاره ای است که پودرها را مخلوط می کند و اندازه ذرات را برای همگن بهتر تجزیه می کند. این مخلوط برای سنتز مواد سرامیکی الکترولیتیک محاسبه می شود.

الکترولیت مخلوط شده با اکسید نیکل ، و حلال آلی و مواد افزودنی عملکردی ، سپس روی یک فیلم پرتاب می شوند و پخته می شوند. نتیجه سایه دلپذیر از فیلم سبز بر روی یک ورق پلاستیکی نیمه شفاف است – خیلی متفاوت از میان وعده ای که در میوه پیچیده شده است. فیلم های سرامیکی مختلف سپس روی یکدیگر قرار می گیرند و دوباره در 1450 درجه سانتیگراد گرم می شوند – فرآیند پخت و پز که به هم به مواد می پیوندند.

این تیم با استفاده از این فناوری توانسته است تا 25 سانتی متر مربع از سلول ها برسد ، یک گام مهم برای پر کردن شکاف بین سلولهای دکمه ای کوچک و سلول سلولهایی که در یک دستگاه صنعتی با مقیاس بزرگ استفاده می شود. محققان اکنون در سطح بالاتری از آماده سازی بر پیشرفت فناوری تمرکز می کنند.

اگر تلاش های آنها موفقیت آمیز باشد ، این دستگاه می تواند نقش مهمی در آینده انرژی کشور ایفا کند که هیدروژن یک پیشرو شیمیایی مهم ، ذخیره انرژی و حمل و نقل متوسط ​​و سوخت است.

دینگ ، مدیر برنامه INL و بازار سهام اجرایی که از سال 2016 ایجاد برنامه PCEC را توصیه کرده است ، گفت: “PCEC قطعاً به درجه حرارت متوسط ​​تغییر می کند.” این عملیات در این محدوده دما امکان استفاده از مواد سودآور را فراهم می کند و می تواند فناوری مناسب را برای بازاریابی کاهش دهد.

علاوه بر تولید هیدروژن ، PCEC می تواند به عنوان بستری برای طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی برای تولید شیمیایی و فرآیندهای تشدید شده ، مانند به روزرسانی گاز طبیعی ، تبدیل مونوکسید کربن و سنتز آمونیاک با اصلاح مواد اولیه و تهاجمی کاتالیزورها خدمت کند. دینگ گفت: “ما از نزدیک با شرکای صنعتی در مقیاس های مختلف همکاری می کنیم.”

درباره آزمایشگاه ملی آیداهو

Batchele Energy Alliance INL را برای دفتر انرژی هسته ای وزارت انرژی ایالات متحده مدیریت می کند. INL مرکز ملی تحقیقات و توسعه انرژی هسته ای و همچنین تحقیقات در هر یک از مناطق استراتژیک DOE است: انرژی ، امنیت ملی ، علوم و محیط زیست. برای اطلاعات بیشتر ، به www.inl.gov مراجعه کنید.

ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید: فیس بوک، اینستاگرام، بدیهی وت xبشر