Pin nhiên liệu chạy 5.000 giờ ở 600 độ C, tạo ra điện và hydro từ nước

Các kỹ sư tại Đại học West Virginia (WVU) phát triển một loại pin nhiên liệu tiên tiến, có thể thúc đẩy cải thiện lưới điện hiện đại bằng cách xử lý hiệu quả các nguồn năng lượng thường thay đổi như điện mặt trời và điện gió.

Pin điện hóa proton ceramic (PCEC) của nhóm nghiên cứu, lưu trữ và tạo ra điện cũng như sản xuất hydro từ nước. Không giống các thiết kế trước đó, pin nhiên liệu của WVU hoạt động ổn định trong điều kiện nhiệt độ cao và hơi nước, nhờ cấu trúc “giá đỡ phủ lớp bảo vệ” mới lạ.

Được thử nghiệm thành công trong hơn 5.000 giờ ở nhiệt độ 600⁰C, pin này hoạt động tốt hơn nhiều so với các mẫu trước đó, mang đến giải pháp bền bỉ để tích hợp năng lượng tái tạo vào lưới điện của Hoa Kỳ.

Việc tích hợp các nguồn năng lượng không liên tục như điện gió, điện mặt trời vào lưới điện, đòi hỏi các giải pháp chuyển đổi và lưu trữ năng lượng tiên tiến khi nỗ lực khử carbon trong ngành năng lượng đang được đẩy nhanh.

Bằng cách chuyển đổi giữa lưu trữ năng lượng và phát điện, PCEC cung cấp giải pháp quan trọng cho lưới điện luôn căng thẳng, thường tiếp nhận nguồn năng lượng đầu vào không thể đoán trước từ nhiều nguồn khác nhau, gồm các nhà máy điện truyền thống, thủy điện, điện mặt trời mái nhà...

Tuy nhiên, các PCEC hiện tại gặp phải tình trạng độ ổn định kém trong thời gian dài ở điều kiện công nghiệp có nhiệt độ cao, hơi nước cao, do vật liệu bị phân hủy và liên kết điện cực - chất điện phân yếu.

Để giải quyết vấn đề, nhóm WVU chế tạo thiết kế “giá đỡ phủ lớp bảo vệ” (CCS), bằng cách kết nối các chất điện phân, phủ và niêm phong nó bằng lớp chất xúc tác điện ổn định trong hơi nước, hấp thụ nước, vẫn nguyên vẹn khi nhiệt độ tăng hay giảm. Proton, nhiệt và điện đều có thể di chuyển qua cấu trúc.

Nguyên mẫu do nhóm WVU phát triển chứng minh độ bền đặc biệt, hoạt động trong hơn 5.000 giờ ở nhiệt độ 600⁰C và độ ẩm 40%. Trong thời gian này, nó thực hiện quá trình điện phân liên tục, phá vỡ các phân tử nước để tạo ra cả điện và hydro.

Thiết kế mới cải thiện đáng kể so với các công nghệ pin PCEC trước đây, có thời gian hoạt động ngắn hơn nhiều và hiệu suất suy giảm đáng kể theo thời gian, với mức chuẩn trước đó chỉ là 1.833 giờ. Thiết kế mới không chỉ nổi bật trong việc tạo ra năng lượng mà còn chứng minh hiệu quả tuyệt vời trong việc lưu trữ năng lượng.

Hệ thống dựa trên CCS của họ chứng minh tính ổn định trong quá trình chuyển đổi liên tục và liền mạch giữa chế độ pin nhiên liệu và chế độ điện phân trong các chu kỳ kéo dài 12 giờ. Trong lưới điện hiện đại ngày càng phụ thuộc nhiều hơn các nguồn năng lượng tái tạo không liên tục, khả năng chuyển đổi động này rất quan trọng để duy trì mọi thứ ở trạng thái cân bằng.

Nhóm nghiên cứu đã giải quyết các vấn đề tồn tại lâu dài với PCEC, chẳng hạn như sự phân hủy chất điện phân theo thời gian do tiếp xúc hơi nước và sự không tương thích nhiệt giữa chất điện phân và điện cực oxy, gây ra kết nối yếu ở nhiệt độ cao.

Nhóm WVU kết hợp ion bari vào lớp phủ để giúp lớp phủ giữ nước, tạo điều kiện cho proton di chuyển. Họ cũng kết hợp ion niken để sản xuất các pin CCS lớn hơn, ổn định trong khi vẫn đảm bảo tính ổn định của cấu trúc. Do PCEC của họ hoạt động bằng hơi nước nên có thể sử dụng nước mặn hoặc nước chất lượng thấp, do đó giảm phụ thuộc vào nước tinh khiết. Nghiên cứu của nhóm được công bố trên tạp chí Nature Energy.