研究人員發(fā)明了一種新型燃料電池，這種電池使用廉價(jià)燃料，溫度與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)，可以大幅降低材料成本。

燃料電池的實(shí)用性和可承受性并不是特別出名，但這種情況可能已經(jīng)改變了。

研究人員說(shuō)，雖然這種電池還在實(shí)驗(yàn)室里，但它有很大的潛力在未來(lái)為家庭甚至汽車供電。

在《自然能源》(NatureEnergy)雜志上發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，研究人員詳細(xì)描述了他們?nèi)绾卧谝环N新發(fā)明的燃料催化劑的幫助下，重新構(gòu)想整個(gè)燃料電池。

這種催化劑可利用廉價(jià)易得的甲烷制造，從而取代了昂貴的氫燃料。

整個(gè)電池的改進(jìn)大大降低了甲烷燃料電池中常見(jiàn)的沸騰操作溫度。甲烷燃料電池通常需要750到1000攝氏度的溫度才能運(yùn)行。

這款新引擎只需要500度左右的溫度，甚至比汽車的內(nèi)燃機(jī)還要低一個(gè)檔次。汽車的內(nèi)燃機(jī)在600攝氏度左右工作。

這種較低的溫度可能會(huì)在操作燃料電池所需的輔助技術(shù)上節(jié)省大量成本，從而有可能推動(dòng)新電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)可行性。

研究人員相信，工程師們能夠通過(guò)合理的努力，圍繞這種燃料電池設(shè)計(jì)出電力單元，這是以往甲烷燃料電池所無(wú)法做到的。

轟動(dòng)性的電池

研究負(fù)責(zé)人、佐治亞理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授MeilinLiu表示:“我們的電池可以制造出一個(gè)簡(jiǎn)單、可靠的整體系統(tǒng)，使用廉價(jià)的不銹鋼制造連接器。”

連接器是幫助將許多燃料電池組合成一個(gè)堆棧或功能單元的部件。

“超過(guò)750攝氏度，沒(méi)有一種金屬能夠在不氧化的情況下經(jīng)受住溫度，所以你很難得到材料，而且材料極其昂貴和脆弱，還會(huì)污染電池。”Liu說(shuō)。

“在我們的世界里，把溫度降到500攝氏度是轟動(dòng)性的。幾乎沒(méi)有人嘗試過(guò)。”BendeGlee說(shuō)，他是Liu實(shí)驗(yàn)室的研究生研究助理，也是這項(xiàng)研究的首批作者之一。

“當(dāng)你達(dá)到這么低的水平時(shí)，工程師設(shè)計(jì)堆棧和連接技術(shù)的工作就會(huì)容易得多。”

這種新型電池還不需要一個(gè)叫做蒸汽重整器的主要輔助設(shè)備，通常需要蒸汽重整器將甲烷和水轉(zhuǎn)化為氫燃料。

更多的電力

研究人員將他們的工作基于一種具有很高商業(yè)可行性的燃料電池，固體氧化物燃料電池(SOFC)。

SOFC以其在燃料方面的多功能性而聞名。

不過(guò)，如果這種新型電池投入市場(chǎng)，可能暫時(shí)無(wú)法為汽車提供動(dòng)力，但它可能很快就會(huì)作為一個(gè)更加分散化、更清潔、更廉價(jià)的電網(wǎng)的一部分，落地在地下室。

燃料電池堆本身大約有鞋盒那么大，再加上配套技術(shù)使其運(yùn)行。

“我們希望你能像安裝無(wú)水箱熱水器一樣安裝這種裝置。它可以取代天然氣為你的房子供電。”Liu說(shuō)。

“這將為社會(huì)和行業(yè)節(jié)省新建電廠和大規(guī)模電網(wǎng)擴(kuò)建的巨額成本。”

“這將使家庭和企業(yè)更加獨(dú)立發(fā)電。這種系統(tǒng)將被稱為分布式發(fā)電，我們的贊助商希望開(kāi)發(fā)這種系統(tǒng)。”

以更低的成本發(fā)電

氫是燃料電池的最佳燃料，但其成本過(guò)高。

研究人員發(fā)現(xiàn)了如何通過(guò)這種新型催化劑將燃料電池中的甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣。這種催化劑由鈰、鎳和釕組成，化學(xué)式為Ce0.9Ni0.05Ru0.05O2，簡(jiǎn)稱CNR。

當(dāng)甲烷和水分子與催化劑接觸并加熱時(shí)，鎳以化學(xué)方式裂解甲烷分子。釕對(duì)水也一樣。

研究人員驚奇地發(fā)現(xiàn)，這兩種物質(zhì)結(jié)合在一起形成了理想的氫(H2)和一氧化碳(CO)，并得到了很好的利用。

“CO在大多數(shù)燃料電池中會(huì)導(dǎo)致性能問(wèn)題，但在這里，我們將其用作燃料，”Chen說(shuō)。

氫氣和一氧化碳繼續(xù)作用于組成陽(yáng)極的催化劑層，而陽(yáng)極是燃料電池中抽離電子的部分，使一氧化碳和氫氣帶正電離子。

電子通過(guò)一根電線，產(chǎn)生電流，流向陰極。

在那里，氧，非常需要電子，它吸收電子，關(guān)閉電路，變成O2離子。

離子化的氫和氧以水冷凝的形式相遇并離開(kāi)系統(tǒng);一氧化碳和氧離子相遇形成純二氧化碳，可以被捕獲。

對(duì)于產(chǎn)生的能源，燃料電池技術(shù)產(chǎn)生的二氧化碳比內(nèi)燃機(jī)少得多。

在一些燃料電池中，最初反應(yīng)中的水必須從外部引入。

在這個(gè)新的燃料電池中，它在最后一個(gè)反應(yīng)階段被補(bǔ)充，這個(gè)反應(yīng)階段形成水，然后循環(huán)回來(lái)與甲烷反應(yīng)。

更快，更穩(wěn)定

這種新型催化劑CNR是由堪薩斯大學(xué)(UniversityofKansas)的研究合作者制造的，它是電池陽(yáng)極側(cè)的外層，同時(shí)也是防止腐蝕的保護(hù)劑，可以延長(zhǎng)電池的壽命。

CNR在電池的內(nèi)層和陰極的另一側(cè)有很強(qiáng)的同期組群催化劑。

在陰極端，氧氣的反應(yīng)和在整個(gè)系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)通常是出了名的緩慢，但Liu的實(shí)驗(yàn)室最近加快了速度，利用所謂的納米纖維陰極來(lái)提高電力輸出，Liu的實(shí)驗(yàn)室在之前的研究中開(kāi)發(fā)了納米纖維陰極。

(一種定制的雙鈣鈦礦納米纖維催化劑可以實(shí)現(xiàn)超快的氧氣生成。)

“這些不同催化劑的結(jié)構(gòu)，以及納米纖維陰極，一起使我們能夠降低操作溫度。”Chen說(shuō)。

美國(guó)能源部的基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室和高級(jí)研究計(jì)劃署能源(ARPA-E)資助了這項(xiàng)研究。國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的化學(xué)部門也提供了資金。

來(lái)自喬治亞理工學(xué)院、堪薩斯大學(xué)和貝爾法斯特女王大學(xué)的其他研究人員也參與了這項(xiàng)研究。任何結(jié)果、結(jié)論和意見(jiàn)都是作者的，不一定是資助機(jī)構(gòu)的。