Новая топливная ячейка продолжает работать, даже когда водород заканчивается

Представьте себе керосиновую лампу, которая продолжает светить даже после того, как горючее в  ней заканчивается. Или электрическую плиту, работающую во время отключения электроснабжения. Ученые-материаловеды из Гарвардского университета представили аналогичное достижение в области производства чистой энергии – твердооксидный топливный элемент, который преобразовывает водород в электричество и также может хранить электрохимическую энергию как аккумулятор. Такой элемент может генерировать электричество еще некоторое время после того, как топливо в нем закончилось.

 «В основе этого тонкопленочного твердооксидного топливного элемента лежат последние достижения в области разработки материалов, которые обладают высокой эффективностью даже при низкой температуре, - объясняет руководитель исследования Шрирам Раманатан, доцент материаловедения на факультете машиностроения и прикладных наук в Гарвардском университете. – Оксид ванадия в аноде служит многофункциональным материалом, который позволяет ячейке производить и хранить энергию одновременно».

Результаты исследования, опубликованные в Интернет-журнале «NanoLetters», будут иметь особо важное значение при разработке небольших переносных устройств, в которых источник питания должен быть компактным и легким, а подача топлива может прерываться.

«Разработчики беспилотных летательных аппаратов, например, могут воспользоваться результатами наших исследований, - заявляет ведущий автор Квентин Ван Овермеер, кандидат наук с факультета машиностроения и прикладных наук. – Когда нет возможности пополнить запасы топлива в полевых условиях, запас энергии может существенно увеличить срок службы устройства».

Раманатан, Ван Овермеер и их коллега Киэн Керман (выпускник факультета машиностроения и прикладных наук) обычно работают с тонкопленочными тведооксидными топливными элементами, в которых для электродов (известных как «анод» и «катод») используется платина. Но когда в топливном элементе на основе платины заканчивается топливо, он может производить электричество лишь в течение 15 секунд, прежде чем электрохимическая реакция окончательно  прекратится.

Новый твердооксидный топливный элемент состоит из двойного слоя платины и оксида ванадия в аноде, который позволяет ячейке работать почти в 14 раз дольше (3,5 минуты при плотности тока в 0,2 мА/кв. см).

По словам Раманатана, первые результаты являются лишь доказательством общей теории, и его коллеги предсказывают, что усовершенствование состава анода из окиси ванадия и платины позволит в будущем увеличить срок службы топливного элемента. 

В обычном режиме новое устройство производит столько же электричества, как и топливный элемент, в качестве анода в котором выступает платина. Между тем, специально сконструированные слои оксида ванадия запускают различные химические реакции, протекающие и после того, как закончится топливо.

«Внутри топливного элемента с анодом на основе оксида ванадия, очевидно, протекают 3 реакции, - объясняет Раманатан. – Первая – это оксидирование ионов ванадия, подтвержденное нами с помощью рентгеновской электронной спектроскопии. Вторая реакция – отложение водорода внутри кристаллической решетки оксида ванадия, который постепенно высвобождается и окисляется на аноде. На третьей стадии мы заметили, что концентрация ионов кислорода различается у анода и катода, поэтому анионы кислорода также оксидируются, как в концентрационной ячейке».

В результате этих трех реакций производится электричество, однако до сих пор не совсем понятно, что позволяет ячейке продолжать работать. На данный момент команда Раманатана установила экспериментально и количественно, что по меньшей мере две из трех реакций протекают одновременно.

По оценкам Раманатана и его коллег, более совершенный топливный элемент, способный производить электричество без топлива более длительный период времени, можно будет испытать (например, в миниатюрных беспилотных летательных аппаратах) в ближайшие два года.  

Работа сотрудников Гарвардского университета получила поддержку Национального научного фонда США, Фонда научных исследований Бельгии и Министерства обороны США. Исследователи также пользовались ресурсами Центра наномерных систем при Гарвардском университете и экспериментальной базы Массачусетского технологического института.

EnergyDaily, перевод  с английского – Наталья Пристром

http://www.energy-daily.com/reports/New_fuel_cell_keeps_going_after_the_hydrogen_runs_out_999.html