طريقة بسيطة لزيادة عمر خلايا الوقود والأجهزة الرئيسية.. مفتاح لتخزين الطاقة الشمسية وطاقة الرياح

في البحث الذي يمكن أن يحفز العمل على مجموعة من التقنيات بما في ذلك خلايا الوقود، وهي مفتاح لتخزين الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، وجد باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا طريقة بسيطة نسبيًا لزيادة عمر هذه الأجهزة: تغيير “الرقم الهيدروجيني” للنظام.

تعتبر خلايا الوقود والتحليل الكهربائي المصنوعة من مواد تعرف باسم أكاسيد الفلزات الصلبة ذات أهمية لعدة أسباب، على سبيل المثال، في وضع التحليل الكهربائي، فهي فعالة للغاية في تحويل الكهرباء من مصدر متجدد إلى وقود قابل للتخزين مثل الهيدروجين أو الميثان الذي يمكن استخدامه في وضع خلية الوقود لتوليد الكهرباء عندما لا تكون الشمس مشرقة أو عندما لا تكون الرياح تهب، يمكن أيضًا صنعها دون استخدام معادن باهظة الثمن مثل البلاتين.

ومع ذلك، فقد أعيقت جدواها التجارية، جزئيًا، لأنها تتدهور بمرور الوقت، تتسرب ذرات المعادن من الوصلات المستخدمة لبناء بنوك من خلايا الوقود/ التحليل الكهربائي ببطء لتسمم الأجهزة.

يقول هاري إل. تولر، أستاذ RP Simmons في السيراميك والمواد الإلكترونية في قسم علوم وهندسة المواد بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (DMSE)، يجب أن يساعد البحث، تحقيق خفض معدل تدهور خلايا وقود الأكسيد الصلب بشكل كبير بحلول عام 2035-2050 .

كما يقول روبرت شريسينجوست ، القائم بأعمال مدير قسم الهيدروجين مع إدارة الكربون في FECM إطالة عمر خلايا وقود الأكسيد الصلب يساعد على توفير إنتاج الهيدروجين منخفض التكلفة وعالي الكفاءة وتوليد الطاقة اللازمة لمستقبل الطاقة النظيفة” .

كما يقول تولر “لقد كنت أعمل في هذا المجال طوال حياتي المهنية، وما رأيته حتى الآن هو في الغالب تحسينات تدريجية” ، ، الذي تم تسميته مؤخرًا زميلًا في جمعية أبحاث المواد لعام 2022 لعمله طوال حياته المهنية في كيمياء الدولة والكيمياء الكهربائية. “يشعر الأشخاص عادةً بالرضا عن رؤية تحسينات بنسبة 10 %، لذلك ، نرى بالفعل تحسينات أكبر بكثير ، والأهم من ذلك ، تحديد مصدر المشكلة ووسائل التغلب عليها ، المشكلات التي كنا نكافح من أجلها كل هذه العقود ، أمر رائع “.

يقول جيمس إم ليبو، أستاذ آخر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مشارك في العمل، “هذا العمل مهم لأنه يمكن أن يتغلب على بعض القيود التي حالت دون الاستخدام الواسع لخلايا وقود الأكسيد الصلب، بالإضافة إلى ذلك، يمكن تطبيق المفهوم الأساسي على العديد من المواد الأخرى المستخدمة للتطبيقات في مجال الطاقة “.

طريقة عمل

تتكون خلية الوقود / التحليل الكهربائي من ثلاثة أجزاء رئيسية: قطبان (قطبان كاثود وأنود) مفصولان بواسطة إلكتروليت، في وضع التحليل الكهربائي، يمكن استخدام الكهرباء من الرياح، على سبيل المثال، لتوليد وقود قابل للتخزين مثل الميثان أو الهيدروجين.

من ناحية أخرى، في تفاعل خلية الوقود العكسي، يمكن استخدام هذا الوقود القابل للتخزين لتوليد الكهرباء عندما لا تهب الرياح.

تتكون خلية الوقود / التحليل الكهربائي العاملة من العديد من الخلايا الفردية المكدسة معًا والمتصلة بوصلات معدنية فولاذية تتضمن عنصر الكروم لمنع المعدن من التأكسد. لكن  كما يقول تولر “اتضح أنه في درجات الحرارة المرتفعة التي تعمل بها هذه الخلايا، يتبخر بعض ذلك الكروم ويهاجر إلى الواجهة بين الكاثود والإلكتروليت، مما يؤدي إلى تسمم تفاعل دمج الأكسجين”، بعد نقطة معينة ، تنخفض كفاءة الخلية إلى درجة لا تستحق التشغيل بعد الآن، “إذا كان بإمكانك إطالة عمر خلية الوقود/ التحليل الكهربائي عن طريق إبطاء هذه العملية ، أو عكسها بشكل مثالي ، فيمكنك قطع شوط طويل نحو جعلها عملية”.

أظهر الفريق أنه يمكنك القيام بالأمرين من خلال التحكم في حموضة سطح الكاثود. كما شرحوا ما يحدث.

تغيير الحموضة

لتحقيق نتائجهم، قام الفريق بتغطية كاثود خلية الوقود/ التحليل الكهربائي بأكسيد الليثيوم ، وهو مركب يغير الحموضة النسبية للسطح من كونه حامضيًا إلى كونه قاعدية أكثر.

يقول تولر: “بعد إضافة كمية صغيرة من الليثيوم، تمكنا من استعادة الأداء الأولي لخلية مسمومة”. عندما أضاف المهندسون المزيد من الليثيوم، تحسن الأداء إلى ما هو أبعد من القيمة الأولية. “لقد رأينا تحسينات من ثلاثة إلى أربعة أوامر من حيث الحجم في معدل تفاعل تقليل الأكسجين الرئيسي ونعزو التغيير إلى ملء سطح القطب بالإلكترونات اللازمة لدفع تفاعل دمج الأكسجين.”

وجدوا أن أكسيد الليثيوم يذيب الكروم بشكل فعال لتشكيل مادة زجاجية لم تعد تعمل على تدهور أداء الكاثود.

ماذا بعد؟

يقول تولر إن العديد من التقنيات مثل خلايا الوقود تعتمد على قدرة المواد الصلبة المؤكسدة على استنشاق الأكسجين بسرعة داخل وخارج هياكلها البلورية. يوضح عمل معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بشكل أساسي كيفية استعادة – وتسريع – تلك القدرة عن طريق تغيير حموضة السطح.

ونتيجة لذلك، فإن المهندسين متفائلون بإمكانية تطبيق العمل على تقنيات أخرى، بما في ذلك ، على سبيل المثال ، أجهزة الاستشعار والمحفزات والمفاعلات القائمة على نفاذ الأكسجين.

يستكشف الفريق أيضًا تأثير الحموضة على الأنظمة المسمومة بعناصر مختلفة، مثل السيليكا.