Команда под руководством профессора Вон Ён Ли из Школы машиностроения Университета Сонгюнгван (Республика Корея) создала технологию, устраняющую ключевое ограничение протонных керамических электрохимических ячеек (PCEC) - нового поколения устройств для чистой энергетики. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

PCEC способны работать в двух режимах: как топливные элементы, вырабатывающие электричество из водорода без загрязняющих выбросов, и как электролизёры, расщепляющие воду для получения водорода. Они эффективны при более низких температурах, чем традиционные аналоги, и считаются перспективными для водородной экономики.

Однако внутри таких ячеек плотный гладкий электролит и пористый электрод соприкасаются не полностью. Это создаёт межфазное контактное сопротивление - сопротивление электрическому току на границе раздела материалов, из-за чего их потенциал используется не полностью.

Чтобы изучить, как площадь контакта влияет на сопротивление, исследователи изготовили экспериментальные модельные ячейки с разной степенью контакта. Анализ показал: чем выше "покрытие контактом" (доля поверхности, где электрод и электролит действительно соприкасаются), тем ниже сопротивление. Этот параметр учёные назвали ключевым для производительности.

Для проверки на реальных ячейках команда применила электростатическое распыление (ESD) - метод, при котором заряженные капли жидкости равномерно наносятся на поверхность. Так на электролит нанесли тонкий плотный нанометровый слой, увеличивший площадь контакта.

Ячейки с новым покрытием показали лучшие результаты, чем обычные, и в режиме выработки электроэнергии, и в режиме получения водорода. Они также стабильно работали при резких перепадах температуры благодаря прочному сцеплению электрода и электролита.

Помимо чистого водорода, ячейки сохраняли работоспособность и стабильность при прямом использовании метана или аммиака - перспективных видов топлива. Кроме того, метод позволил равномерно обрабатывать крупные подложки, что указывает на возможность масштабирования для промышленности.

"Как бы ни был совершенен новый материал, он не раскроет своих свойств, если интерфейсы между компонентами плохо соединены, - отметил Ли. - Наша работа количественно описывает микроскопическое контактное поведение и одновременно максимизирует производительность и долговечность с помощью масштабируемого прецизионного нанопроцесса".

По словам исследователя, технология может найти применение в крупных электростанциях чистой энергетики, водородных автомобилях и экологичных системах хранения энергии. Однако это пока лабораторные результаты, и о сроках коммерческого внедрения не сообщается.

Источник: Tech Xplore