Terwijl energiebronnen zoals wind en zon goed zijn in het produceren van emissievrije elektriciteit, ze zijn afhankelijk van de zon en de wind, dus het aanbod voldoet niet altijd aan de vraag. Hetzelfde, kerncentrales werken efficiënter op maximale capaciteit, zodat de elektriciteitsopwekking niet gemakkelijk kan worden opgevoerd of verlaagd om aan de vraag te voldoen.

Al decenia, energieonderzoekers hebben geprobeerd één grote uitdaging op te lossen:hoe sla je overtollige elektriciteit op zodat het weer aan het net kan worden geleverd wanneer dat nodig is?

Onlangs, onderzoekers van het Idaho National Laboratory hielpen bij het beantwoorden van die uitdaging door een nieuw elektrodemateriaal te ontwikkelen voor een elektrochemische cel die overtollige elektriciteit en water efficiënt kan omzetten in waterstof. Als de vraag naar elektriciteit toeneemt, de elektrochemische cel is omkeerbaar, waterstof weer om te zetten in elektriciteit voor het net. De waterstof kan ook worden gebruikt als brandstof voor warmte, voertuigen of andere toepassingen.

De resultaten verschenen deze week online in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Onderzoekers erkennen al lang het potentieel van waterstof als energieopslagmedium, zei Dong Ding, een senior stafingenieur / wetenschapper en leider van de chemische verwerkingsgroep bij INL.

"De grote uitdaging voor energieopslag, met zijn uiteenlopende onderzoeks- en ontwikkelingsbehoeften, gaf aanleiding tot meer mogelijkheden voor waterstof, " zei Ding. "We richten ons op waterstof als het energietussenproduct om energie efficiënt op te slaan."

Ding en zijn collega's verbeterden één type elektrochemische cel, een protonische keramische elektrochemische cel (PCEC), die elektriciteit gebruikt om stoom te splitsen in waterstof en zuurstof.

Echter, vroeger, deze apparaten hadden beperkingen, vooral het feit dat ze werken bij temperaturen tot 800 graden C. De hoge temperaturen vereisen dure materialen en resulteren in snellere degradatie, waardoor de elektrochemische cellen onbetaalbaar worden.

In de krant, Ding en collega's beschrijven een nieuw materiaal voor de zuurstofelektrode - de geleider die gelijktijdig de watersplitsing en zuurstofreductiereacties mogelijk maakt. In tegenstelling tot de meeste elektrochemische cellen, dit nieuwe materiaal - een oxide van een verbinding die perovskiet wordt genoemd - stelt de cel in staat waterstof en zuurstof om te zetten in elektriciteit zonder extra waterstof.

Eerder, Ding en zijn collega's ontwikkelden een 3D-maasachtige architectuur voor de elektrode die meer oppervlakte beschikbaar maakte om het water in waterstof en zuurstof te splitsen. Samen, de twee technologieën - de 3D-gaaselektrode en het nieuwe elektrodemateriaal - zorgden voor zelfvoorzienende, omkeerbare werking bij 400 tot 600 graden C.

"We hebben de haalbaarheid aangetoond van omkeerbare werking van de PCEC bij zulke lage temperaturen om gegenereerde waterstof in hydrolysemodus om te zetten in elektriciteit, zonder enige externe waterstofvoorziening, in een zelfvoorzienende operatie, " zei Ding. "Het is een grote stap voor elektrolyse bij hoge temperatuur."

Terwijl vroegere zuurstofelektroden alleen elektronen en zuurstofionen geleidden, de nieuwe perovskiet is "drievoudig geleidend, "Ding zei, wat betekent dat het elektronen geleidt, zuurstofionen en protonen. In praktische termen, de drievoudig geleidende elektrode zorgt ervoor dat de reactie sneller en efficiënter verloopt, zodat de bedrijfstemperatuur kan worden verlaagd met behoud van goede prestaties.

Voor Ding en zijn collega's, de truc was uitzoeken hoe het element aan het perovskietelektrodemateriaal kon worden toegevoegd dat het de drievoudig geleidende eigenschappen zou geven - een proces dat doping wordt genoemd. "We hebben met succes een effectieve dopingstrategie gedemonstreerd om een ​​goed drievoudig geleidend oxide te ontwikkelen, waardoor goede celprestaties bij lagere temperaturen mogelijk zijn, " zei Hanping Ding, een materiaalwetenschapper en ingenieur voor de Chemical Processing Group van Idaho National Laboratory.

In de toekomst, Dong Ding en zijn collega's hopen de elektrochemische cel te blijven verbeteren door materiaalinnovatie te combineren met geavanceerde productieprocessen, zodat de technologie op industriële schaal kan worden gebruikt.