"Эта музыка будет вечной, если я заменю батарейки....."

Уважаемые читатели предлагаю вам статью о передовых разработках в области топливных элементов Роберта Ф. Сервиса опубликованную 12.03.19 в журнале Science.

Новый топливный элемент может помочь решить проблему хранения возобновляемой энергии

Если мы хотим получить шанс перехода на возобновляемую энергию, нам понадобится одна важная вещь: технологии, которые могут превращать электричество из ветра и солнца в химическое топливо для хранения и наоборот. Коммерческие устройства, которые это делают, существуют, но большинство из них являются дорогостоящими и выполняют только половину уравнения. Теперь исследователи создали лабораторные приспособления, которые решают обе задачи. Если их увеличенные версии будут работать также, то они позволят—или, по крайней мере, сделают более доступным—применение возобновляемых источников энергии.

Рынок таких технологий вырос вместе с возобновляемыми источниками энергии: в 2007 году солнечная энергия и ветер обеспечивали лишь 0,8% всей электроэнергии в Соединенных Штатах; в 2017 году это число составило 8%, согласно данным Управления энергетической информации США. Но спрос на электроэнергию часто не совпадает с предложением от солнца и ветра. В солнечной Калифорнии, например, солнечные батареи регулярно производят больше энергии, чем нужно в середине дня, но ее сильно не хватает ночью, после того, как большинство рабочих и студентов возвращаются домой.

Некоторые коммунальные службы начинают устанавливать массивные батареи аккумуляторов в надежде на хранение избыточной энергии и выравнивание энергобаланса. Но батареи являются дорогостоящими и хранят не достаточно энергии. Другой вариант заключается в хранении энергии путем ее преобразования в водородное топливо. Устройства, называемые электролизерами, делают это, используя электричество - в идеале от солнечной и ветровой энергии - для разделения воды на кислород и водород, безуглеродное топливо. Второй набор устройств, называемых топливными элементами, может затем преобразовать этот водород обратно в электричество для электромобилей или подать его обратно в сеть.

Но коммерчески электролизеры и топливные элементы используют различные катализаторы для того чтобы быстро провести обе реакции, следовательно один прибор не сможет обеспечить проведение обеих реакций одновременно. Чтобы обойти это, исследователи экспериментировали с более новым типом топливного элемента, называемого протонным проводящим топливным элементом (PCFC), который может производить топливо или преобразовывать его обратно в электричество, используя только один набор катализаторов.

PCFCs состоит из 2 электродов разделенных мембраной которая позволяет протонам проникать сквозь нее. На первом электроде, известном как воздушный электрод, пар и электричество подаются в керамический катализатор, который расщепляет молекулы пара воды на положительно заряженные ионы водорода (протоны), электроны и молекулы кислорода. Электроны проходят через внешний провод к второму электроду-топливному электроду - где они встречаются с протонами, которые пересекли мембрану. Там,  катализатор на основе никеля соединяет их для того чтобы получить водород (H ₂). В предыдущих PCFCs никелевые катализаторы работали хорошо, но керамические катализаторы были неэффективными, используя менее 70% электроэнергии для разделения молекул воды. Большая часть энергии выделялась в тепло.

Теперь, две исследовательские группы сделали ключевые шаги для повышения этой эффективности. Они обе сосредоточились на усовершенствовании воздушного электрода, потому что электрод на основе никеля сделал достаточно хорошую работу. В январе исследователи во главе с химиком С.Хейл в Северо-Западном университете в Эванстоне, штат Иллинойс, сообщили в Energy & Environmental Science, что они придумали топливный электрод, изготовленный из керамического сплава, содержащего шесть элементов, которые использовали 76% электричества для расщепления молекул воды. И в сегодняшнем выпуске Nature Energy Райан О'Хейр, химик из Колорадо, сообщает, что его команда улучшила эти результаты. Их керамический электрод состоящий из 5 элементов, использует 98%  энергии необходимой для разделения воды.

Когда обе команды запускают свои установки в обратном направлении, топливный электрод разбивает молекулы H ₂ на протоны и электроны. Электроны проходят через провод к воздушному электроду -снабжая электричеством потребителей. Когда они достигают электрода, они реагируют с кислородом от воздуха и протонами которые просочились назад через мембрану для того чтобы произвести воду.

Последняя работа группы О'Хейра  "впечатляет", - говорит Хайле. "Электричество, которое вы вводите, делает H ₂ и не нагревает вашу систему. Они хорошо с этим справились."Тем не менее, как ее новое устройство, так и устройство из лаборатории O'Хейра-это небольшие лабораторные демонстрации. Для того, чтобы технология оказала влияние на общество, исследователям необходимо увеличить масштаб устройств размера кнопок, что обычно снижает производительность. Если инженеры смогут сделать это, стоимость хранения возобновляемой энергии может резко упасть, помогая коммунальным предприятиям избавиться от их зависимости от ископаемого топлива.