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科学家研发新型甲烷燃料电池

钜大LARGE  |  点击量:296次  |  2018年11月27日  

摘要
研究人员发明了一种新型燃料电池,这种电池使用廉价燃料,温度与汽车发动机相当,可以大幅降低材料成本。


研究人员发明了一种新型燃料电池,这种电池使用廉价燃料,温度与汽车发动机相当,可以大幅降低材料成本。


燃料电池的实用性和可承受性并不是特别出名,但这种情况可能已经改变了。


研究人员说,虽然这种电池还在实验室里,但它有很大的潜力在未来为家庭甚至汽车供电。


在《自然能源》(NatureEnergy)杂志上发表的一项新研究中,研究人员详细描述了他们如何在一种新发明的燃料催化剂的帮助下,重新构想整个燃料电池。


这种催化剂可利用廉价易得的甲烷制造,从而取代了昂贵的氢燃料。


整个电池的改进大大降低了甲烷燃料电池中常见的沸腾操作温度。甲烷燃料电池通常需要750到1000摄氏度的温度才能运行。


这款新引擎只需要500度左右的温度,甚至比汽车的内燃机还要低一个档次。汽车的内燃机在600摄氏度左右工作。


这种较低的温度可能会在操作燃料电池所需的辅助技术上节省大量成本,从而有可能推动新电池实现商业可行性。


研究人员相信,工程师们能够通过合理的努力,围绕这种燃料电池设计出电力单元,这是以往甲烷燃料电池所无法做到的。


轰动性的电池


研究负责人、佐治亚理工大学材料科学与工程学院教授MeilinLiu表示:“我们的电池可以制造出一个简单、可靠的整体系统,使用廉价的不锈钢制造连接器。”


连接器是帮助将许多燃料电池组合成一个堆栈或功能单元的部件。


“超过750摄氏度,没有一种金属能够在不氧化的情况下经受住温度,所以你很难得到材料,而且材料极其昂贵和脆弱,还会污染电池。”Liu说。


“在我们的世界里,把温度降到500摄氏度是轰动性的。几乎没有人尝试过。”BendeGlee说,他是Liu实验室的研究生研究助理,也是这项研究的首批作者之一。


“当你达到这么低的水平时,工程师设计堆栈和连接技术的工作就会容易得多。”


这种新型电池还不需要一个叫做蒸汽重整器的主要辅助设备,通常需要蒸汽重整器将甲烷和水转化为氢燃料。


更多的电力


研究人员将他们的工作基于一种具有很高商业可行性的燃料电池,固体氧化物燃料电池(SOFC)。


SOFC以其在燃料方面的多功能性而闻名。


不过,如果这种新型电池投入市场,可能暂时无法为汽车提供动力,但它可能很快就会作为一个更加分散化、更清洁、更廉价的电网的一部分,落地在地下室。


燃料电池堆本身大约有鞋盒那么大,再加上配套技术使其运行。


“我们希望你能像安装无水箱热水器一样安装这种装置。它可以取代天然气为你的房子供电。”Liu说。


“这将为社会和行业节省新建电厂和大规模电网扩建的巨额成本。”


“这将使家庭和企业更加独立发电。这种系统将被称为分布式发电,我们的赞助商希望开发这种系统。”


以更低的成本发电


氢是燃料电池的最佳燃料,但其成本过高。


研究人员发现了如何通过这种新型催化剂将燃料电池中的甲烷转化为氢气。这种催化剂由铈、镍和钌组成,化学式为Ce0.9Ni0.05Ru0.05O2,简称CNR。


当甲烷和水分子与催化剂接触并加热时,镍以化学方式裂解甲烷分子。钌对水也一样。


研究人员惊奇地发现,这两种物质结合在一起形成了理想的氢(H2)和一氧化碳(CO),并得到了很好的利用。


“CO在大多数燃料电池中会导致性能问题,但在这里,我们将其用作燃料,”Chen说。


氢气和一氧化碳继续作用于组成阳极的催化剂层,而阳极是燃料电池中抽离电子的部分,使一氧化碳和氢气带正电离子。


电子通过一根电线,产生电流,流向阴极。


在那里,氧,非常需要电子,它吸收电子,关闭电路,变成O2离子。


离子化的氢和氧以水冷凝的形式相遇并离开系统;一氧化碳和氧离子相遇形成纯二氧化碳,可以被捕获。


对于产生的能源,燃料电池技术产生的二氧化碳比内燃机少得多。


在一些燃料电池中,最初反应中的水必须从外部引入。


在这个新的燃料电池中,它在最后一个反应阶段被补充,这个反应阶段形成水,然后循环回来与甲烷反应。


更快,更稳定


这种新型催化剂CNR是由堪萨斯大学(UniversityofKansas)的研究合作者制造的,它是电池阳极侧的外层,同时也是防止腐蚀的保护剂,可以延长电池的寿命。


CNR在电池的内层和阴极的另一侧有很强的同期组群催化剂。


在阴极端,氧气的反应和在整个系统中的运动通常是出了名的缓慢,但Liu的实验室最近加快了速度,利用所谓的纳米纤维阴极来提高电力输出,Liu的实验室在之前的研究中开发了纳米纤维阴极。


(一种定制的双钙钛矿纳米纤维催化剂可以实现超快的氧气生成。)


“这些不同催化剂的结构,以及纳米纤维阴极,一起使我们能够降低操作温度。”Chen说。


美国能源部的基础能源科学办公室和高级研究计划署能源(ARPA-E)资助了这项研究。国家科学基金会的化学部门也提供了资金。


来自乔治亚理工学院、堪萨斯大学和贝尔法斯特女王大学的其他研究人员也参与了这项研究。任何结果、结论和意见都是作者的,不一定是资助机构的。

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