Fremskridt højtemperaturelektrolyse:Spaltning af vand for at lagre energi som brint

Mens energikilder som vind og sol er gode til at producere emissionsfri elektricitet, de er afhængige af solen og vinden, så udbuddet opfylder ikke altid efterspørgslen. Ligeledes, atomkraftværker fungerer mere effektivt med maksimal kapacitet, så elproduktionen ikke let kan skrues op eller ned for at matche efterspørgslen.

I årtier, energiforskere har forsøgt at løse én stor udfordring:Hvordan opbevarer man overskydende elektricitet, så det kan frigives tilbage til nettet, når det er nødvendigt?

For nylig, forskere ved Idaho National Laboratory hjalp med at besvare denne udfordring ved at udvikle et nyt elektrodemateriale til en elektrokemisk celle, der effektivt kan omdanne overskydende elektricitet og vand til brint. Når efterspørgslen efter elektricitet stiger, den elektrokemiske celle er reversibel, omdanner brint tilbage til elektricitet til nettet. Brinten kunne også bruges som brændsel til varme, køretøjer eller andre applikationer.

Resultaterne blev vist online i denne uge i tidsskriftet Naturkommunikation .

Forskere har længe erkendt brintets potentiale som et energilagringsmedium, sagde Dong Ding, en senior ingeniør/videnskabsmand og leder af kemisk bearbejdningsgruppe hos INL.

"Den store udfordring for energilagring, med dets forskellige forsknings- og udviklingsbehov, gav anledning til flere muligheder for brint, " sagde Ding. "Vi sigter efter brint som energimellemprodukt til effektivt at lagre energi."

Ding og hans kolleger forbedrede en type elektrokemisk celle kaldet en protonisk keramisk elektrokemisk celle (PCEC), som bruger elektricitet til at spalte damp til brint og ilt.

Imidlertid, i fortiden, disse enheder havde begrænsninger, især det faktum, at de fungerer ved temperaturer så høje som 800 grader C. De høje temperaturer kræver dyre materialer og resulterer i hurtigere nedbrydning, at gøre de elektrokemiske celler omkostninger uoverkommelige.

I avisen, Ding og kolleger beskriver et nyt materiale til iltelektroden - lederen, der letter vandspaltning og iltreduktionsreaktioner samtidigt. I modsætning til de fleste elektrokemiske celler, dette nye materiale - et oxid af en forbindelse kaldet en perovskit - gør det muligt for cellen at omdanne brint og ilt til elektricitet uden yderligere hydrogen.

Tidligere, Ding og hans kolleger udviklede en 3-D mesh-lignende arkitektur til elektroden, der gjorde mere overfladeareal tilgængeligt til at opdele vandet i brint og oxygen. Sammen, de to teknologier – 3-D mesh-elektroden og det nye elektrodemateriale – muliggør selvbærende, reversibel drift ved 400 til 600 grader C.

"Vi demonstrerede gennemførligheden af ​​reversibel drift af PCEC ved så lave temperaturer for at omdanne genereret brint i hydrolysetilstand til elektricitet, uden nogen ekstern brintforsyning, i en selvbærende operation, " sagde Ding. "Det er et stort skridt for højtemperaturelektrolyse."

Mens tidligere iltelektroder kun ledte elektroner og iltioner, den nye perovskite er "triple conducting, "Sagde Ding, hvilket betyder at det leder elektroner, oxygenioner og protoner. Rent praktisk, den tredobbelte ledende elektrode betyder, at reaktionen sker hurtigere og mere effektivt, så driftstemperaturen kan sænkes og samtidig opretholde en god ydeevne.

For Ding og hans kolleger, tricket var at finde ud af, hvordan man tilføjede elementet til perovskitelektrodematerialet, som ville give det de tredobbelte ledende egenskaber - en proces kaldet doping. "Vi har med succes demonstreret en effektiv dopingstrategi til at udvikle et godt tredobbelt ledende oxid, som muliggør god celleydelse ved reducerede temperaturer, " sagde Hanping Ding, en materialeforsker og ingeniør for Idaho National Laboratory's Chemical Processing Group.

I fremtiden, Dong Ding og hans kolleger håber at fortsætte med at forbedre den elektrokemiske celle ved at kombinere materialeinnovation med banebrydende fremstillingsprocesser, så teknologien kan bruges i industriel skala.