Протонные керамические электрохимические элементы (PCECs) — это новые энергетические технологии, содержащие электролиты на основе протонпроводящих оксидов и проводников ионов кислорода. Эти устройства могли бы внести свой вклад в продолжающийся переход к решениям в области устойчивой энергетики, способствуя глобальному производству экологически чистого водорода и электроэнергии.
PCECs обладают многочисленными преимуществами по сравнению с обычными низкотемпературными электрохимическими ячейками с электролитами на основе полимеров. Например, они могут обеспечить более высокую энергоэффективность и совместимы с различными видами топлива.
Несмотря на их хорошую производительность и выгодные характеристики, эти элементы до сих пор было трудно производить и внедрять в больших масштабах. Основная причина этого заключается в том, что их рабочая температура чрезвычайно высока, обычно более 500 °C.
Исследователи из Университета штата Канзас, горной школы Колорадо, Североамериканского технического центра Nissan (NTCNA), Nissan Motor Company и Университета Оклахомы недавно представили новую стратегию проектирования, которая позволяет снизить рабочие температуры PCECs до уровня ниже 450 °C. Предложенный ими подход, представленный в Nature Energy, мог бы помочь преодолеть препятствия, которые в настоящее время ограничивают широкое использование этих многообещающих энергетических решений.
«Снижение рабочей температуры PCEC может способствовать его масштабированию и коммерциализации», — написали Фан Лю, Хао Дэн и их коллеги в своей статье. «Однако достижение высокой энергоэффективности и длительного срока службы при низких рабочих температурах является давней задачей. Мы сообщаем о простом и масштабируемом подходе к изготовлению ультратонких, химически однородных и надежных электролитов, проводящих протоны, и демонстрируем композитный положительный электрод, сформированный in situ, Ba0.62Sr0.38CoO3-δ−Pr1.44Ba0.11Sr0.45Co1.32Fe0.68O6−δ.»
Композитный положительный электрод, созданный исследователями, может значительно снизить различные типы сопротивления в PCEC, включая омическое сопротивление и сопротивление, связанное с контактом положительный электрод-электролит и поляризацией электрода. В сочетании с оптимальными электролитами этот электрод мог бы помочь значительно улучшить производительность PCECs при температурах ниже 450°C.
Чтобы изучить потенциал предложенных ими стратегий проектирования, Лю, Дэн и их коллеги использовали их для создания новых PCEC. Затем они провели серию тестов, чтобы оценить удельную мощность этих устройств и рабочие температуры, как в то время, когда они служили топливными элементами, так и в качестве паровых электролизеров.
«PCECs обеспечивают высокую плотность мощности в режиме топливных элементов (~0,75 Вт/см2 при 450 °C и ~0,10 Вт/см2 при 275 °C) и исключительную плотность тока в режиме парового электролиза (-1,28 А/см2 при 1,4 В и 450 °C). При температуре 600 °C PCEC достигают плотности мощности ~ 2 Вт/см2», − написали Лю, Дэн и их коллеги в своей статье.
«Кроме того, мы демонстрируем прямое использование метана и аммиака для выработки электроэнергии при температуре <450 °C. Наши PCEC также стабильны при выработке электроэнергии и водорода при температуре 400°C.»
Результаты первоначальных оценок команды являются весьма многообещающими, предполагая, что предложенные ими методы могут позволить изготавливать высокоэффективные PCEC, которые могут одновременно служить в качестве топливных элементов и поддерживать производство водорода, и все это при работе при более низких температурах. Примечательно, что было также обнаружено, что электролит, созданный исследователями, обеспечивает сопротивление, сравнимое или даже более низкое, чем те, которые наблюдались в ранее разработанных PCEC, основанных на сложных процессах изготовления.
Подходы, представленные в этом недавнем документе, вскоре могут послужить основой для разработки дополнительных PCEC, которые могут работать при низких температурах, что в конечном итоге облегчит широкомасштабное внедрение этого нового энергетического решения. В будущем прототипы ячеек команды также могут быть усовершенствованы, чтобы еще больше снизить их рабочие температуры и повысить производительность.
More information: Fan Liu et al, Lowering the operating temperature of protonic ceramic electrochemical cells to <450 °C, Nature Energy (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01350-4. www.nature.com/articles/s41560-023-01350-4
Journal information: Nature Energy
© 2023 Science X Network