En enkel måde at øge levetiden for brændselsceller og andre vigtige enheder markant

I forskning, der kunne sætte gang i arbejdet med en række teknologier, herunder brændselsceller, nøglen til lagring af sol- og vindenergi, har MIT-forskere fundet en relativt enkel måde at øge levetiden for disse enheder:at ændre systemets "pH".

Brændsels- og elektrolyseceller fremstillet af materialer kendt som faste metaloxider er af interesse af flere årsager. For eksempel er de i elektrolysetilstand meget effektive til at omdanne elektricitet fra en vedvarende kilde til et brændstof, der kan lagres, såsom brint eller metan, der kan bruges i brændselscelletilstanden til at generere elektricitet, når solen ikke skinner eller vinden er ude. blæser ikke. De kan også laves uden at bruge dyre metaller som platin. Imidlertid er deres kommercielle levedygtighed blevet hæmmet, delvist, fordi de nedbrydes over tid. Metalatomer, der siver fra forbindelserne, der bruges til at konstruere banker af brændstof-/elektrolyseceller, forgifter langsomt enhederne.

"Det, vi har været i stand til at demonstrere, er, at vi ikke kun kan vende den nedbrydning, men faktisk forbedre ydeevnen over startværdien ved at kontrollere surhedsgraden af ​​luftelektrodegrænsefladen," siger Harry L. Tuller, R.P. Simmons professor i Keramik og elektroniske materialer i MIT's afdeling for materialevidenskab og teknik (DMSE).

Forskningen, der oprindeligt blev finansieret af det amerikanske energiministerium gennem Office of Fossil Energy and Carbon Managements (FECM) National Energy Technology Laboratory, skulle hjælpe departementet med at nå sit mål om at reducere nedbrydningshastigheden af ​​fastoxidbrændselsceller betydeligt i 2035-2050 .

"Forlængelse af levetiden for fastoxidbrændselsceller hjælper med at levere den billige, højeffektive brintproduktion og elproduktion, der er nødvendig for en fremtid med ren energi," siger Robert Schrecengost, fungerende direktør for FECM's division for hydrogen med kulstofstyring. "Afdelingen bifalder disse fremskridt for at modne og i sidste ende kommercialisere disse teknologier, så vi kan levere ren og pålidelig energi til det amerikanske folk."

"Jeg har arbejdet på dette område hele mit professionelle liv, og det, jeg har set indtil nu, er for det meste trinvise forbedringer," siger Tuller, der for nylig blev udnævnt til 2022 Materials Research Society Fellow for sit karrierelange arbejde inden for solid- statskemi og elektrokemi. "Folk er normalt tilfredse med at se forbedringer med faktorer på 10 procent. Så faktisk at se meget større forbedringer og, hvad der er vigtigt, identificere kilden til problemet og midlerne til at omgå det, problemer som vi har kæmpet med i alle disse årtier er bemærkelsesværdigt."

James M. LeBeau, en anden MIT-professor involveret i arbejdet, siger:"Dette arbejde er vigtigt, fordi det kunne overvinde [nogle] af de begrænsninger, der har forhindret den udbredte brug af fastoxidbrændselsceller. Derudover kan det grundlæggende koncept anvendes til mange andre materialer, der bruges til applikationer inden for det energirelaterede område." LeBeau er John Chipman Associate Professor of Materials Science and Engineering

Arbejdet blev rapporteret den 11. august online i Energy &Environmental Science . Yderligere forfattere af papiret er Han Gil Seo, en DMSE postdoc-stipendiat; Anna Staerz, tidligere DMSE-postdoktor, nu ved Interuniversity Microelectronics Center (IMEC) Belgien og snart til at slutte sig til Colorado School of Mines-fakultetet; Dennis S. Kim, en DMSE postdoc associeret; Dino Klotz, en DMSE-gæsteforsker, nu hos Zurich Instruments; Michael Xu, en DMSE kandidatstuderende, og Clement Nicollet tidligere en DMSE postdoc-stipendiat, nu ved Université de Nantes. Seo og Staerz bidrog lige så meget til arbejdet.

Hvad de gjorde

En brændstof-/elektrolysecelle har tre hoveddele:to elektroder (en katode og anode) adskilt af en elektrolyt. I elektrolysetilstanden kan elektricitet fra f.eks. vinden bruges til at generere brændstof, der kan lagres, såsom metan eller brint. På den anden side, i den omvendte brændselscellereaktion, kan det lagrebare brændstof bruges til at skabe elektricitet, når vinden ikke blæser.

En fungerende brændstof/elektrolysecelle er sammensat af mange individuelle celler, der er stablet sammen og forbundet med stålmetalforbindelser, der inkluderer elementet krom for at forhindre metallet i at oxidere. Men "det viser sig, at ved de høje temperaturer, som disse celler kører, fordamper noget af det krom og migrerer til grænsefladen mellem katoden og elektrolytten, hvilket forgifter oxygeninkorporeringsreaktionen," siger Tuller. Efter et vist punkt er cellens effektivitet faldet til et punkt, hvor det ikke er værd at arbejde længere.

"Så hvis du kan forlænge brændstof-/elektrolysecellens levetid ved at bremse denne proces, eller ideelt set vende den, kan du gå langt i retning af at gøre det praktisk," siger Tuller.

Holdet viste, at du kan gøre begge dele ved at kontrollere surheden af ​​katodeoverfladen. De forklarede også, hvad der sker.

Ændring af surhedsgraden

For at opnå deres resultater coatede holdet brændstof-/elektrolysecellekatoden med lithiumoxid, en forbindelse, der ændrer overfladens relative surhed fra at være sur til at være mere basisk. "Efter at have tilføjet en lille mængde lithium, var vi i stand til at genvinde den første ydeevne af en forgiftet celle," siger Tuller. Da ingeniørerne tilføjede endnu mere lithium, forbedredes ydeevnen langt ud over den oprindelige værdi. "Vi så forbedringer på tre til fire størrelsesordener i den vigtigste oxygenreduktionsreaktionshastighed og tilskriver ændringen at befolke overfladen af ​​elektroden med elektroner, der er nødvendige for at drive oxygeninkorporeringsreaktionen."

Ingeniørerne fortsatte med at forklare, hvad der sker, ved bogstaveligt at observere materialet på nanoskala, eller milliardtedele af en meter, med state-of-the-art transmissionselektronmikroskopi og elektronenergitabsspektroskopi. "Vi var interesserede i at forstå fordelingen af ​​de forskellige kemiske tilsætningsstoffer [chrom og lithiumoxid] på overfladen," siger LeBeau.

De fandt ud af, at lithiumoxidet effektivt opløser chrom for at danne et glasagtigt materiale, der ikke længere tjener til at forringe katodens ydeevne.

Hvad er det næste?

Mange teknologier som brændselsceller er baseret på oxidfaststoffernes evne til hurtigt at trække ilt ind og ud af deres krystallinske strukturer, siger Tuller. MIT-arbejdet viser i det væsentlige, hvordan man genvinder - og fremskynder - denne evne ved at ændre overfladens surhedsgrad. Som følge heraf er ingeniørerne optimistiske om, at arbejdet kan anvendes til andre teknologier, herunder for eksempel sensorer, katalysatorer og oxygenpermeationsbaserede reaktorer.

Holdet undersøger også effekten af ​​surhed på systemer, der er forgiftet af forskellige elementer, såsom silica.

Tuller slutter:"Som det ofte er tilfældet i videnskaben, falder man over noget og bemærker en vigtig tendens, der ikke var værdsat tidligere. Så tester man det koncept yderligere, og man opdager, at det virkelig er meget grundlæggende." + Udforsk yderligere

Elektrolyseceller med fast oxid letter CO2-elektrolyse under intermitterende vedvarende energienergi