Pin nhiên liệu là gì? Các công bố khoa học về Pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu gốm là một thiết bị chuyển đổi năng lượng hoàn toàn ở trạng thái rắn, sản xuất điện năng thông qua việc kết hợp điện hoá các khí nhiên liệu và khí oxy ở một oxit dẫn ion. Hiện tại, các pin nhiên liệu gốm sử dụng một vật dẫn ion oxy hoặc một vật dẫn proton làm chất điện phân và hoạt động ở nhiệt độ cao (>600°C). Các pin nhiên liệu gốm, thường được gọi là pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC), hiện đang được phát triển cho nhiều ứng dụng phát điện khác nhau. Bài báo này xem xét khoa học và công nghệ của pin nhiên liệu gốm và thảo luận về các vấn đề quan trọng liên quan đến sự phát triển của loại pin nhiên liệu này. Sự nhấn mạnh được đặt vào việc thảo luận về các vật liệu thành phần (đặc biệt, chất điện phân ZrO₂, điện cực anode nickel/ZrO₂ cermet, điện cực cathode LaMnO₃, và kết nối LaCrO₃), các phản ứng khí tại các điện cực, thiết kế cụm pin và các kỹ thuật chế biến được sử dụng trong việc chế tạo các cấu trúc gốm cần thiết.

Geobacter sulfurreducens phát triển các biofilm đa lớp có cấu trúc cao trên bề mặt anode của một tế bào nhiên liệu vi sinh vật chuyển đổi acetate thành điện. Các tế bào ở xa anode vẫn sống sót, và không có sự suy giảm hiệu quả sản xuất dòng điện khi độ dày của biofilm tăng lên. Các nghiên cứu di truyền cho thấy rằng việc truyền điện tử hiệu quả qua biofilm yêu cầu sự hiện diện của pilis dẫn điện. Những pilis này có thể đại diện cho một mạng lưới điện tử thẩm thấu qua biofilm, tạo điều kiện cho việc truyền tải điện trên khoảng cách xa một cách hiệu quả về năng lượng, tăng sản xuất điện hơn 10 lần.

Bài tổng quan này đề cập đến sự phát triển và tiến bộ thực nghiệm của biocathode trong các pin nhiên liệu vi sinh vật (MFCs). Các MFC truyền thống bao gồm anode sinh học và cathode vô cơ. Cathode vô cơ thường yêu cầu một chất xúc tác hoặc một chất trung gian điện tử để đạt được khả năng chuyển giao điện tử cao, dẫn đến tăng chi phí và giảm tính bền vững trong vận hành. Những bất lợi này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng biocathode, nơi vi sinh vật hỗ trợ các phản ứng cathode. Biocathode có thể thực hiện trong các tế bào nửa được điều chỉnh bởi nguồn điện, nhưng rất ít nghiên cứu đã khảo sát chúng trong các MFC hoàn chỉnh. Phân loại biocathode dựa trên chất nhận điện tử cuối có sẵn. Đối với biocathode hiếu khí với oxy là chất nhận điện tử cuối, các chất trung gian điện tử, chẳng hạn như sắt và mangan, được khử trước bởi cathode (bằng phương pháp vô cơ) và sau đó được tái oxi hóa bởi vi khuẩn. Biocathode kỵ khí trực tiếp khử các chất nhận điện tử cuối, chẳng hạn như nitrat và sulfat, bằng cách nhận điện tử từ điện cực cathode thông qua chuyển hóa vi sinh. Biocathode có triển vọng trong MFC, và chúng tôi hy vọng sẽ có những ứng dụng thành công sau một số đột phá.

Phổ biến ở các khu vực cận nhiệt đới và nhiệt đới thuộc Nam Bán cầu, thảo nguyên là một loại thảm thực vật tự nhiên có tính không đồng nhất và tính mùa vụ rất cao, khiến việc phát hiện thay đổi (tự nhiên so với nhân tạo) trở thành một nhiệm vụ thách thức. Cerrado của Brazil đại diện cho thảo nguyên lớn nhất ở Nam Mỹ, và là kiểu sinh cảnh bị đe dọa nhất ở Brazil do mở rộng nông nghiệp. Để đánh giá những khu vực thực vật Cerrado tự nhiên (NV) dễ bị thay đổi tự nhiên và nhân tạo nhất theo thời gian, chúng tôi đã phân loại 33 năm (1985–2017) dữ liệu ảnh Landsat có sẵn trên nền tảng Google Earth Engine (GEE). Chiến lược phân loại đã sử dụng sự kết hợp giữa cây quyết định kinh nghiệm và thống kê để tạo ra các bản đồ tham chiếu cho phân loại học máy và một tập dữ liệu hàng năm mới của các loại Cerrado NV chính (rừng, thảo nguyên và đồng cỏ). Chúng tôi thu được các bản đồ NV hàng năm với độ chính xác trung bình từ 87% (ở cấp độ phân loại NV 1) đến 71% trong chuỗi thời gian, phân biệt ba loại NV chính. Chuỗi thời gian này sau đó được sử dụng để tạo bản đồ xác suất cho mỗi lớp NV. Thực vật tự nhiên trong sinh cảnh Cerrado đã giảm với tốc độ trung bình 0,5% mỗi năm (748.687 ha/năm), chủ yếu ảnh hưởng đến rừng và thảo nguyên. Từ năm 1985 đến năm 2017, 24,7 triệu hecta NV đã bị mất, và hiện chỉ còn 55% phân bố NV ban đầu. Trong số NV còn lại vào năm 2017 (112,6 triệu hecta), 65% đã ổn định qua các năm, 12% thay đổi giữa các loại NV, và 23% đã chuyển đổi sang các mục đích sử dụng đất khác nhưng hiện đang ở một mức độ nào đó của NV thứ cấp. Kết quả của chúng tôi rất cơ bản trong việc chỉ ra các khu vực có tỷ lệ thay đổi cao trong chuỗi thời gian dài ở Cerrado Brazil và để làm nổi bật các thách thức của việc lập bản đồ các loại NV khác biệt trong một thảo nguyên có tính mùa vụ và không đồng nhất cao.

Các tiến bộ cơ bản trong ion rắn cho chuyển đổi và lưu trữ năng lượng là rất quan trọng để giải quyết thách thức toàn cầu về nguồn năng lượng sạch hơn. Bài đánh giá này nhằm thể hiện vai trò quý giá mà các kỹ thuật tính toán hiện đại hiện đang đóng góp vào việc cung cấp hiểu biết sâu sắc về các vật liệu cho pin nhiên liệu oxide rắn và pin lithium có thể sạc lại. Phạm vi công việc hiện tại được minh họa bởi các nghiên cứu về các vật liệu tópik như các chất dẫn proton loại perovskite, oxit gallium với cấu trúc tứ diện, silicat loại apatite và photphat sắt lithium. Các tính chất cơ bản quan trọng được xem xét, bao gồm các cơ chế di chuyển ion, sự liên kết giữa tạp chất và khuyết tật, cùng với cấu trúc bề mặt và hình thái tinh thể.

Tại mặt cực âm của pin nhiên liệu điện tử polyme (PEFC), một lớp xốp vi mô (MPL) được thêm vào giữa lớp xúc tác (CL) và lớp khuếch tán khí (GDL) đóng vai trò quan trọng trong quản lý nước. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng cả mô hình mạng xốp tĩnh và động để điều tra quá trình vận chuyển nước và hơi trong MPL và GDL. Chúng tôi đã minh họa cách mà MPL cải thiện quản lý nước tại cực âm. Hơn nữa, chúng tôi đã phát hiện ra rằng quá trình vận chuyển nước lỏng động trong GDL rất nhạy cảm với sự hình thành gradient nhiệt dọc theo phương xuyên. Do đó, chúng tôi có thể kiểm soát sự ngưng tụ hơi nước chỉ tại các giao diện GDL bằng cách điều chỉnh hợp lý độ dẫn nhiệt của GDL. Kết quả mô phỏng của chúng tôi có thể cung cấp hướng dẫn cho việc tối ưu hóa cấu trúc lỗ GDL để đạt được quản lý nước tốt.