Polttokenno vakauttaa sähköverkkoa tuottamalla ja varastoimalla energiaa

Länsi-Virginian yliopiston insinöörit ovat kehitelleet nykytarpeisiin vastaava sähköverkkoa, joka olisi joustava ja kykenevä käsittelemään vaihtelevia energialähteitä, kuten aurinko- ja tuulivoimaa, ja testanneet siihen liittyvää polttokennoa, joka voi vaihtaa sähkön varastoinnin ja tuotannon välillä ja myös tuottaa vetyä vedestä.

Toisin kuin vastaavat teknologiat, uusi polttokenno kestää teollisessa mittakaavassa pitkään suurella teholla käytettäessä syntyvästä lämmöstä ja höyrystä huolimatta. Lisäksi se ratkaisee kolme suurta ongelmaa, jotka liittyvät potentiaalisesti arvokkaan energiateknologian, "protonisen keraamisen sähkökemiallisen kennon", olemassa oleviin ratkaisuihin.

Materiaalitieteen professori Xingbo Liu selitti, että koska PCEC:t vaihtavat energian varastoinnin ja sähköntuotannon välillä, ne voisivat olla elintärkeä teknologia ylikuormittuneelle Yhdysvaltain sähköverkolle, joka kamppailee yhdistääkseen vaihtelevista lähteistä – perinteisistä voimalaitoksista ja vesivoimaloista sekä aurinkopaneeleista ja jopa meren aalloista – saamaansa energiaa.

Liu kuitenkin sanoi, että nykyiset PCEC-mallit "ovat epävakaita korkean höyrypitoisuuden ympäristöissä, niissä on heikot yhteydet kerrosten välillä ja ne toimivat huonosti protonien johtamisen kriittisessä tehtävässä.

Ratkaisuna tähän ryhmämme rakensi 'konformaalisesti päällystetyn kehysrakenteen (CCS)' yhdistämällä elektrolyyttejä ja päällystimme ja tiivistimme sen sähkökatalyyttikerroksella, joka on stabiili höyryssä, imee vettä ja pysyy ehjänä lämpötilan noustessa ja laskiessa. Protonit, lämpö ja sähkö voivat kaikki liikkua rakenteen läpi."

Heidän prototyyppinsä teki työtään yli 5 000 tuntia 600 celsiusasteessa ja 40 %:n kosteudessa hajottaen molekyylejä ja tuottaen sähköä ja vetyä elektrolyysin avulla. Aiemmin pisin aika, jolloin pieni PCEC teki samaa prosessia jatkuvasti, oli 1 833 tuntia – ja tuolloin suorituskyky heikkeni ajan myötä, Liu sanoi.

Järjestelmämme pysyi vakaana ja vaihtoi sujuvasti ja usein edestakaisin eri tilanteiden välillä jopa pitkien 12 tunnin syklien aikana. Näin saavutamme tasapainon sähköverkossa, joihin sisältyy ajoittaisia energialähteitä.”

”PCEC-elektrodit käyttävät elektrolyyttikalvoja ja happielektrodeina johtimia protonien siirtämiseen kerrostensa läpi”, Tian sanoi. ”Mutta nykyisissä PCEC-rakenteissa höyry on päässyt elektrolyytteihin ja aiheuttanut niiden pettämisen ajan myötä. Toinen ongelma on, että elektrolyytit ja elektrodit laajenevat eri tavalla lämmön vaikutuksesta, joten niiden väliset yhteydet heikkenevät käytön aikana.”

WVU-tiimi lisäsi bariumionia auttamaan pinnoitetta pidättämään vettä, mikä helpottaa protonien liikkumista. He lisäsivät myös nikkeli-ioneja valmistaakseen suurempia CCS-kennoja, jotka pysyivät vakaina ja tasaisina. Ja koska heidän PCEC-laitteensa toimii vesihöyryllä, sitä voidaan käyttää suolavedellä tai heikkolaatuisella vedellä puhdistetun veden sijaan.

”Kaikki tämä osoittaa lupaavia mahdollisuuksia teollisen tason skaalaamiseen”, Tian sanoi. ”Osoitimme, että on mahdollista valmistaa laajamittaisesti CCS-polttokennoja, jotka pysyvät vahvoina ja vakaina vaativissa olosuhteissa.”

Aiheesta aiemmin:

Grafeenin avulla polttokennoille 200 000 tunnin käyttöikä

Jakeluverkon sähkövarasto viidenneksen hinnalla