Pin nhiên liệu WVU có thể ổn định lưới điện bằng cách tạo ra và lưu trữ năng lượng trong điều kiện công nghiệp khắc nghiệt
Để xây dựng một lưới điện hiện đại với tính linh hoạt và khả năng phục hồi để xử lý các nguồn năng lượng lên xuống thất thường như năng lượng mặt trời và năng lượng gió, các kỹ sư của Đại học West Virginia đã thiết kế và thử nghiệm thành công một pin nhiên liệu có thể chuyển đổi giữa lưu trữ và tạo ra điện, đồng thời tạo ra hydro từ nước.
Không giống như các công nghệ tương tự, pin nhiên liệu có thể chịu được nhiệt và hơi nước sinh ra khi hoạt động ở quy mô công nghiệp trong thời gian dài với công suất cao. Ngoài ra, nó còn giải quyết ba vấn đề lớn trong các thiết kế hiện có của một công nghệ năng lượng có giá trị tiềm năng được gọi là "pin điện hóa gốm proton".
Nhà nghiên cứu Xingbo Liu, giáo sư khoa học vật liệu và phó khoa nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật và Tài nguyên Khoáng sản Benjamin M. Statler thuộc Đại học Tây Virginia (WVU), giải thích rằng do PCEC chuyển đổi giữa lưu trữ năng lượng và sản xuất điện, chúng có thể là một công nghệ cứu cánh cho lưới điện quá tải của Hoa Kỳ đang phải vật lộn để tích hợp năng lượng nhận được từ nhiều nguồn khác nhau theo những khoảng thời gian không chắc chắn - từ các nhà máy điện thông thường và đập thủy điện, cũng như các tấm pin mặt trời dân dụng và thậm chí cả sóng biển.
Tuy nhiên, Liu cho biết các thiết kế PCEC hiện tại
không ổn định trong môi trường hơi nước cao, với kết nối yếu giữa các lớp và chúng hoạt động kém hiệu quả trong nhiệm vụ quan trọng là dẫn proton.
Để ứng phó, nhóm của chúng tôi đã xây dựng một thiết kế 'giàn giáo phủ bảo vệ' bằng cách kết nối các chất điện phân, và chúng tôi đã phủ và bịt kín nó bằng một lớp xúc tác điện ổn định trong hơi nước, hấp thụ nước và vẫn nguyên vẹn khi nhiệt độ tăng và giảm. Proton, nhiệt và điện đều có thể di chuyển qua cấu trúc này.
Liu cho biết:
Nguyên mẫu của họ đã hoàn thành nhiệm vụ trong hơn 5.000 giờ, ở nhiệt độ 600 độ C và độ ẩm 40%, phân tách các phân tử để tạo ra điện và hydro thông qua quá trình điện phân.
“Thời gian dài nhất trước đây mà một PCEC nhỏ liên tục thực hiện cùng một quy trình là 1.833 giờ — và trong trường hợp đó, hiệu suất giảm dần theo thời gian.
He cho biết:
Công nghệ đó chưa sẵn sàng cho các ứng dụng quy mô lớn.
“Để so sánh, thiết kế khung được phủ lớp bảo vệ của chúng tôi hoạt động rất tốt ở cả chế độ lưu trữ năng lượng và sản xuất năng lượng đến mức chúng tôi cũng đã xây dựng một phiên bản thử nghiệm của một hệ thống sử dụng các cell CCS để lưu trữ hydro và sử dụng nó trong các phản ứng điện phân. Hệ thống của chúng tôi vẫn ổn định trong khi chuyển đổi mượt mà và thường xuyên giữa các chế độ đó, ngay cả trong các chu kỳ dài 12 giờ. Đây là cách chúng tôi đạt được sự cân bằng trong một lưới điện đang phát triển để kết hợp các nguồn năng lượng bền vững, không liên tục.”
Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Energy do Hanchen Tian, nghiên cứu sinh tiến sĩ và nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại WVU vào thời điểm nghiên cứu, và Wei Li, lúc đó là trợ lý giáo sư nghiên cứu tại WVU, dẫn đầu. Các cộng tác viên khác của WVU bao gồm Qingyuan Li, nghiên cứu viên sau tiến sĩ; Debangsu Bhattacharyya, giáo sư Kỹ thuật Vật liệu Nhựa GE; và Wenyuan Li, trợ lý giáo sư.
Tian cho biết:
PCEC sử dụng màng gọi là chất điện phân và các chất dẫn điện gọi là điện cực oxy để di chuyển proton qua các lớp của chúng.
“Tuy nhiên, hơi nước đã xâm nhập vào chất điện phân trong các thiết kế PCEC hiện tại và khiến chúng bị hỏng theo thời gian. Một vấn đề khác là chất điện phân và điện cực giãn nở khác nhau dưới tác động của nhiệt, do đó các kết nối giữa chúng yếu đi trong quá trình sử dụng.”
Nhóm nghiên cứu WVU đã kết hợp ion bari để giúp lớp phủ giữ nước, tạo điều kiện thuận lợi cho chuyển động của proton. Họ cũng kết hợp ion niken để chế tạo các cell CCS lớn hơn, ổn định và phẳng. Và vì PCEC của họ chạy bằng hơi nước, nên nó có thể được cung cấp năng lượng bằng nước mặn hoặc nước chất lượng thấp, thay vì nước tinh khiết.
Tian cho biết:
Tất cả những điều này cho thấy triển vọng mở rộng quy mô lên quy mô công nghiệp,
"Chúng tôi đã chứng minh rằng có thể sản xuất pin nhiên liệu CCS trên quy mô lớn, bền bỉ và ổn định trong điều kiện khắc nghiệt."
Nghiên cứu được hỗ trợ bởi nguồn tài trợ từ Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và đã nhận được Giải thưởng Công nghệ Sản xuất Hydro của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE). Trong giai đoạn tiếp theo của dự án, các nhà nghiên cứu sẽ hợp tác với Văn phòng Đổi mới và Thương mại hóa của WVU để thương mại hóa thiết kế.
