一种显着延长燃料电池和其他关键设备寿命的简单方法

在可能启动包括燃料电池在内的一系列技术(存储太阳能和风能的关键)的研究中，麻省理工学院的研究人员发现了一种相对简单的方法来增加这些设备的寿命：改变系统的“pH”。

由称为固体金属氧化物的材料制成的燃料电池和电解电池之所以受到关注，有几个原因。例如，在电解模式下，它们非常有效地将可再生能源的电力转化为可用于燃料电池的氢气或甲烷等可储存燃料模式，在没有阳光或没有风时发电不吹。它们也可以在不使用铂等昂贵金属的情况下制造。然而，它们的商业可行性受到了阻碍，部分原因是它们会随着时间的推移而退化。从用于构建燃料/电解电池组的互连中渗出的金属原子会慢慢毒化设备。

“我们能够证明的是，我们不仅可以逆转这种退化，而且通过控制空气电极界面的酸度实际上将性能提高到初始值之上，”RPSimmons教授HarryL.Tuller说。麻省理工学院材料科学与工程系(DMSE)的陶瓷和电子材料。

该研究最初由美国能源部通过化石能源办公室和碳管理办公室(FECM)国家能源技术实验室资助，应有助于该部实现其在2035-2050年之前显着降低固体氧化物燃料电池降解率的目标.

“延长固体氧化物燃料电池的使用寿命有助于实现清洁能源未来所需的低成本、高效制氢和发电，”FECM氢碳管理部门代理主任罗伯特·施雷森戈斯特说。“该部门赞扬这些进步使这些技术成熟并最终商业化，以便我们能够为美国人民提供清洁可靠的能源。”

“我的整个职业生涯都在这个领域工作，到目前为止，我所看到的主要是渐进式改进，”图勒说，他最近被任命为2022年材料研究学会研究员，因为他在固体领域的长期工作状态化学和电化学。“人们通常对看到10%的改进感到满意。因此，实际上看到了更大的改进，同样重要的是，确定问题的根源和解决问题的方法，以及我们一直在努力解决的问题这几十年来，是了不起的。”

参与这项工作的另一位麻省理工学院教授JamesM.LeBeau说：“这项工作很重要，因为它可以克服阻碍固体氧化物燃料电池广泛使用的[一些]限制。此外，基本概念可以应用于许多其他材料用于能源相关领域的应用。”LeBeau是材料科学与工程的约翰奇普曼副教授

这项工作于8月11日在线发表在《能源与环境科学》杂志上。该论文的其他作者是DMSE博士后HanGilSeo;AnnaStaerz，前DMSE博士后研究员，现就职于比利时大学微电子中心(IMEC)，即将加入科罗拉多矿业学院;DMSE博士后助理DennisS.Kim;DinoKlotz，DMSE访问科学家，现就职于ZurichInstruments;DMSE研究生MichaelXu和ClementNicollet前DMSE博士后研究员，现就职于南特大学。Seo和Staerz对这项工作做出了同样的贡献。

他们做了什么

燃料/电解电池具有三个主要部分：由电解质隔开的两个电极(阴极和阳极)。在电解模式下，来自风的电力可用于产生可储存的燃料，如甲烷或氢气。另一方面，在逆向燃料电池反应中，可储存的燃料可用于在不刮风时发电。

一个工作燃料/电解电池由许多单独的电池组成，这些电池堆叠在一起并通过钢金属互连件连接，其中包括元素铬以防止金属氧化。但是“事实证明，在这些电池运行的高温下，其中一些铬会蒸发并迁移到阴极和电解质之间的界面，从而毒化氧结合反应，”Tuller说。在某个点之后，电池的效率已经下降到不值得再运行的点。

“因此，如果您可以通过减慢这一过程或理想地逆转这一过程来延长燃料/电解电池的寿命，那么您可以在使其实用化方面大有帮助，”Tuller说。

该团队表明，您可以通过控制阴极表面的酸度来做到这两点。他们还解释了正在发生的事情。

改变酸度

为了取得他们的成果，该团队在燃料/电解电池阴极上涂上了氧化锂，这是一种将表面的相对酸度从酸性变为碱性的化合物。“在添加少量锂后，我们能够恢复中毒电池的初始性能，”Tuller说。当工程师添加更多锂时，性能提升远远超过初始值。“我们看到关键的氧还原反应速率提高了三到四个数量级，并将这种变化归因于电极表面填充了驱动氧结合反应所需的电子。”

工程师们继续通过使用最先进的透射电子显微镜和电子能量损失光谱仪在纳米尺度或十亿分之一米处观察材料来解释正在发生的事情。“我们有兴趣了解表面上不同化学添加剂[铬和氧化锂]的分布，”LeBeau说。

他们发现氧化锂有效地溶解了铬，形成一种不再降低阴极性能的玻璃状材料。

下一步是什么?

Tuller说，燃料电池等许多技术都是基于氧化物固体快速将氧气吸入和排出其晶体结构的能力。麻省理工学院的工作基本上展示了如何通过改变表面酸度来恢复和加速这种能力。因此，工程师们乐观地认为这项工作可以应用于其他技术，例如传感器、催化剂和基于氧气渗透的反应器。

该团队还在探索酸度对被不同元素(如二氧化硅)毒害的系统的影响。

Tuller总结道：“就像科学中经常发生的情况一样，你偶然发现一些东西并注意到一个以前没有被重视的重要趋势。然后你进一步测试这个概念，你会发现它确实非常基础。”

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