Использование избыточного тепла для улучшения электролизеров и топливных элементов
Новая технология может помочь генерировать водород и ингредиенты химической промышленности.
Департамент ядерной науки и техники
Чистое электричество и накопленное тепло от ядерной энергетики и прерывистое электричество от ветра и солнца могут быть эффективно преобразованы в зеленый водород, топливо и химикаты с использованием протонных керамических электролизеров с исключительной производительностью и стабильностью.
Изображение предоставлено исследователями.
Сокращение использования ископаемого топлива будет иметь непреднамеренные последствия для электроэнергетики и за ее пределами. Например, многие промышленные химические процессы используют побочные продукты ископаемого топлива в качестве предшественников таких вещей, как асфальт, глицерин и другие важные химические вещества. Одним из решений для снижения воздействия потери ископаемого топлива на промышленные химические процессы является хранение и использование тепла, которое производит ядерное деление. Новые исследования Массачусетского технологического института значительно улучшили способ направления этого тепла на выработку химических веществ с помощью процесса, называемого электролизом.
Электролизеры - это устройства, которые используют электричество для разделения воды (H2o) и генерации молекул водорода (H2) и кислорода (O2). Водород используется в топливных элементах для выработки электроэнергии и привода электромобилей или дронов или в промышленных операциях, таких как производство стали, аммиака и полимеров. Электролизеры могут также поглощать воду и углекислыйгаз (CO2) и производить кислород и этилен (C2h4), химическое вещество, используемое в полимерах и других материалах.
Существует три основных типа электролизеров. Один тип работает при комнатной температуре, но имеет недостатки; они неэффективны и требуют редких металлов, таких как платина. Второй тип более эффективен, но работает при высоких температурах, выше 700 градусов Цельсия. Но металлы корродируют при такой температуре, и устройства нуждаются в дорогостоящей герметизации и изоляции. Третий тип был бы решением Златовласки для ядерного тепла, если бы он был усовершенствован, работая при температуре 300-600 ° C и требуя в основном дешевых материалов, таких как нержавеющая сталь. Эти клетки никогда не работали так эффективно, как того требует теория. Новая работа, опубликованная в этом месяце в Nature, освещает проблему и предлагает решение.
В устройствах с промежуточной температурой используются так называемые протонные керамические электрохимические элементы. Каждая ячейка представляет собой сэндвич с плотным электролитом, слоистым между двумя пористыми электродами. Водяной пар закачивается в верхний электрод. Провод сбоку соединяет два электрода, и внешнее электричество проходит сверху вниз. Напряжение вытягивает электроны из воды, которая расщепляет молекулу, высвобождая кислород. Атом водорода без электрона - это просто протон. Протоны вытягиваются через электролит, чтобы воссоединиться с электронами на нижнем электроде и сформировать молекулы H2, которые затем собираются.
Сам по себе электролит в середине, состоящий в основном из бария, церия и циркония, очень хорошо проводит протоны. “Но когда мы помещаем один и тот же материал в это трехслойное устройство, протонная проводимость полной ячейки довольно плоха”, - говорит Яньхао Донг, постдок в Отделе ядерной науки и техники MIT и соавтор статьи. “Его проводимость составляет всего около 50 процентов от объемной формы. Мы удивлялись, почему здесь такая непоследовательность.
Пара подсказок указала им правильное направление. Во-первых, если они не готовят ячейку очень тщательно, верхний слой толщиной всего около 20 микрон (.02 миллиметра) не остается прикрепленным. “Иногда, если вы используете только скотч, он будет отслаиваться”, - говорит Донг. Во-вторых, когда они посмотрели на поперечное сечение устройства с помощью сканирующего электронного микроскопа, они увидели, что верхняя поверхность слоя электролита была плоской, тогда как нижняя поверхность пористого электрода, сидящего на нем, была неровной, и они соприкасались только в нескольких местах. Они не очень хорошо ладили. Этот ненадежный интерфейс приводит как к структурному расслоению, так и к плохому прохождению протонов от электрода к электролиту.
Решение оказалось простым: исследователи придали шероховатость верхней части электролита. В частности, они наносили кислоту в течение 10 минут, которая вытравливала канавки на поверхности. Джу Ли, профессор Battelle Energy Alliance в области ядерной инженерии и профессор материаловедения и инженерии в Массачусетском технологическом институте, а также соавтор статьи, сравнивает его с пескоструйной обработкой поверхности перед нанесением краски для повышения адгезии. Их обработанные кислотой ячейки производили примерно на 200 процентов больше водорода на площадь при 1,5 вольтах при 600 ° C, чем любая предыдущая ячейка такого типа, и хорошо работали до 350 ° C с очень небольшим снижением производительности при длительной работе.
“Авторы сообщили об удивительно простой, но высокоэффективной обработке поверхности, чтобы значительно улучшить интерфейс”, - говорит Лянбин Ху, директор Центра инноваций материалов в Мэрилендском институте энергетических инноваций, который не участвовал в работе. Он называет производительность ячейки “исключительной”.
“Мы взволнованы и удивлены” результатами, говорит Донг. “Инженерное решение кажется довольно простым. И это действительно хорошо, потому что это делает его очень применимым к реальным приложениям ”. В практическом продукте многие такие элементы будут сложены вместе, образуя модуль. Партнер MIT по проекту, Национальная лаборатория Айдахо, очень силен в разработке и прототипировании, поэтому Ли ожидает увидеть электролизеры на основе этой технологии в масштабе в ближайшее время. “На уровне материалов это прорыв, который показывает, что в масштабе реального устройства вы можете работать при этой сладкой температуре от 350 до 600 градусов Цельсия для ядерных реакторов деления и синтеза”, - говорит он.
“Пониженная рабочая температура позволяет использовать более дешевые материалы для крупномасштабной сборки, включая штабель”, - говорит исследователь Национальной лаборатории Айдахо и соавтор статьи Донг Дин. “Технология работает в том же диапазоне температур, что и несколько важных современных промышленных процессов, включая производство аммиака и восстановление CO2. Согласование этих температур ускорит внедрение технологии в существующую отрасль ”.
“Это очень важно как для Национальной лаборатории Айдахо, так и для нас, - добавляет Ли, - потому что он соединяет ядерную энергию и возобновляемую электроэнергию”. Он отмечает, что технология также может помочь топливным элементам, которые в основном являются электролизерами, работать в обратном направлении, используя зеленый водород или углеводороды для выработки электроэнергии. По словам Вэй Ву, ученого-материаловеда из Национальной лаборатории Айдахо и соавтора статьи, “этот метод довольно универсален и совместим с другими твердыми электрохимическими устройствами”.
Донг говорит, что бумага редко продвигает науку и технику до такой степени. “Мы рады объединить их вместе и получить как очень хорошее научное понимание, так и очень хорошую производительность в реальном мире”.
Эта работа, выполненная в сотрудничестве с Национальной лабораторией Айдахо, Университетом штата Нью–Мексико и Университетом Небраски-Линкольна, частично финансировалась Министерством энергетики США.
ПОДЕЛИТЕСЬЭТОЙ НОВОСТНОЙ СТАТЬЕЙ НА:
БУМАГА
Статья: "Оживление интерфейса в протонных керамических ячейках методом кислотного травления"