燃料電池在實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)方面并不占優(yōu)勢，但這種情況可能剛剛被改變。有一種新的電池可以在與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)臏囟认率褂昧畠r(jià)的燃料，并且降低材料的成本。

佐治亞理工學(xué)院(GeorgiaInstituteofTechnology)的研究人員說，雖然這個(gè)電池目前只停留在實(shí)驗(yàn)室里，但它有很大的潛力，有朝一日可以為住宅和汽車提供電力。

在《自然能源》(NatureEnergy)雜志上發(fā)表的一項(xiàng)最新研究中，研究人員詳細(xì)描述了他們?nèi)绾卧谛掳l(fā)明的燃料催化劑的幫助下重新構(gòu)造整個(gè)電池。這種催化劑并不使用昂貴的氫燃料，取而代之的是便宜且容易得到的甲烷。

整個(gè)電池改進(jìn)的最大突破在于降低了的電池的工作溫度，而這在甲烷燃料電池中很常見，這是一項(xiàng)驚人的工程成就。甲烷燃料電池通常需要750到1000攝氏度的溫度才能運(yùn)行。這個(gè)新引擎只需要500攝氏度左右即可正常工作，這甚至比運(yùn)行在600攝氏度左右的汽車內(nèi)燃機(jī)還要低一個(gè)檔次。這種較低的溫度可能會(huì)讓操作燃料電池所需的輔助技術(shù)的成本大幅降低，從而有可能推動(dòng)這種新型電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

研究人員相信工程師們可以通過適當(dāng)?shù)呐Γ谶@種燃料電池周圍設(shè)計(jì)出電力裝置，這是以前的甲烷燃料電池所沒有的。

感覺就像進(jìn)入了新的世界

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的是喬治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院的教授劉美林(MeilinLiu)，他說，我們的電池可以制造出一個(gè)簡單、健壯的整體系統(tǒng)，使用廉價(jià)的不銹鋼來制造連接器。連接器是幫助將許多燃料電池組合到一個(gè)堆棧或功能單元的部件。在750攝氏度以上的高溫下，沒有一種金屬能在不被氧化的情況下經(jīng)受住這樣的高溫，所以你在獲取材料方面會(huì)遇到很多麻煩，而且這些材料非常昂貴和脆弱，而且有可能會(huì)污染電池。

當(dāng)我們把溫度降低到500攝氏度，感覺就像進(jìn)入了一個(gè)新的世界。Liuslab的研究生研究助理、該研究的首批作者之一本.德吉利(BendeGlee)說，很少有人嘗試過這種方法。當(dāng)溫度那么低的時(shí)候，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。

而且，這種新型電池并不需要一種稱為蒸汽轉(zhuǎn)化器的主要輔助設(shè)備，一般情況下需要蒸汽轉(zhuǎn)化器將甲烷和水轉(zhuǎn)化為氫燃料。Liu，deGlee以及聯(lián)合第一作者于晨(YuChen),Liuslab博士后研究員，和堪薩斯大學(xué)的共同第一作者YuTang于2018年10月29日發(fā)表了他們的研究成果。他們的工作由美國能源部的基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室和高級(jí)研究項(xiàng)目機(jī)構(gòu)(ARPA-E)資助。它還得到了國家化學(xué)科學(xué)基金會(huì)的資助。

分布式發(fā)電

這項(xiàng)研究基于一種具有商業(yè)可行性的燃料電池，固體氧化物燃料電池(SOFC)。SOFC以其在燃料使用上的多功能性而聞名。

如果投入市場，盡管這種新型電池在一段時(shí)間內(nèi)可能無法為汽車提供動(dòng)力，但作為一個(gè)更加分散、更清潔、更廉價(jià)的電網(wǎng)的一部分，它可以更快地被安置在地下室。

燃料電池堆本身的大小相當(dāng)于一個(gè)鞋柜，加上一些輔助系統(tǒng)使其運(yùn)行。希望你能像安裝無水箱熱水器一樣安裝這個(gè)設(shè)備。它將用天然氣為你的房子供電，劉說。

“這將為社會(huì)和工業(yè)節(jié)省下建造新發(fā)電廠和大規(guī)模電網(wǎng)的巨大成本。這將使家庭和企業(yè)的供能更加獨(dú)立。這種系統(tǒng)被稱為分布式發(fā)電，我們的贊助商想要開發(fā)這種系統(tǒng)。”

自制的氫

氫是燃料電池的最佳燃料，但其成本過高。

研究人員研究出了如何通過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、鎳和釕制成，化學(xué)配方為Ce0.9Ni0.05Ru0.05O2，簡稱CNR。

當(dāng)甲烷和水分子接觸到催化劑和熱量時(shí)，鎳就會(huì)在化學(xué)上分解甲烷分子。釕同樣適用于水。由此產(chǎn)生的部分會(huì)以非常理想的氫(H2)和一氧化碳(CO)的形式重新組合在一起，研究人員驚奇地發(fā)現(xiàn)這兩種物質(zhì)得到了很好的利用。在大多數(shù)燃料電池中，CO會(huì)導(dǎo)致性能問題，但在這里，CO被用作燃料。

包括全新技術(shù)在內(nèi)的層疊式創(chuàng)新使研究人員能夠重構(gòu)燃料電池，使其在較低溫度下使用甲烷運(yùn)行。圖中綠色的是釕鎳基催化劑，是新燃料電池中的一種創(chuàng)新材料。圖片來源：GeorgiaTech/Liulab

發(fā)電過程

H2和CO繼續(xù)進(jìn)一步形成構(gòu)成陽極的催化劑層，將一部分電子從燃料電池中拉出，使得一氧化碳和氫氣帶正電子。電子通過導(dǎo)線向陰極移動(dòng)，產(chǎn)生電流。在那里，極度需要電子的氧吸收電子，關(guān)閉電路，變成氧離子。電離的氫和氧以水的形式相遇并離開系統(tǒng)；一氧化碳和氧離子相遇形成純二氧化碳，可以被捕獲。

相對(duì)于產(chǎn)生的能量來說，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，初始反應(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)階段得到補(bǔ)充，這就形成了水，然后循環(huán)回去和甲烷反應(yīng)。

催化劑聚合

新的催化劑CNR是由堪薩斯大學(xué)的研究合作者制造的，是電池陽極一側(cè)的外層，同時(shí)也是防止衰變的保護(hù)劑，延長了電池的壽命。

CNR的內(nèi)層和電池的另一側(cè)陰極都有很強(qiáng)的串聯(lián)催化劑。在陰極端，氧的反應(yīng)和通過系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)通常是出了名的慢，但是Liu的實(shí)驗(yàn)室最近通過使用納米纖維陰極來加快它的速度以提高輸出電流，實(shí)驗(yàn)室在之前的研究中開發(fā)了這種納米纖維陰極。(見先前的研究：一種定制的雙鈣鈦礦納米纖維催化劑使超快氧進(jìn)化)這些不同的催化劑的結(jié)構(gòu)，以及納米纖維陰極，讓我們可以降低工作溫度，陳說。