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突破!科学家创造出一种在实用温度下使用甲烷的燃料电池

来源: china-nengyuan.com   更新时间:2018-10-31 20:30:01    

  燃料电池在实用性和经济方面并不占优势,但这种情况可能刚刚被改变。有一种新的电池可以在与汽车发动机相当的温度下使用廉价的燃料,并且降低材料的成本。

  佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的研究人员说,虽然这个电池目前只停留在实验室里,但它有很大的潜力,有朝一日可以为住宅和汽车提供电力。

  在《自然能源》(Nature Energy)杂志上发表的一项最新研究中,研究人员详细描述了他们如何在新发明的燃料催化剂的帮助下重新构造整个电池。这种催化剂并不使用昂贵的氢燃料,取而代之的是便宜且容易得到的甲烷。

  整个电池改进的最大突破在于降低了的电池的工作温度,而这在甲烷燃料电池中很常见,这是一项惊人的工程成就。甲烷燃料电池通常需要750到1000摄氏度的温度才能运行。这个新引擎只需要500摄氏度左右即可正常工作,这甚至比运行在600摄氏度左右的汽车内燃机还要低一个档次。这种较低的温度可能会让操作燃料电池所需的辅助技术的成本大幅降低,从而有可能推动这种新型电池实现商业化。

  研究人员相信工程师们可以通过适当的努力,在这种燃料电池周围设计出电力装置,这是以前的甲烷燃料电池所没有的。


首席研究员Meilin Liu在佐治亚理工学院的实验室中拿着一个新的、实用的、价格合理的燃料电池单元。图片来源:Georgia Tech / Christopher Moore

  感觉就像进入了新的世界

  领导这项研究的是乔治亚理工学院材料科学与工程学院的教授刘美林(Meilin Liu),他说,我们的电池可以制造出一个简单、健壮的整体系统,使用廉价的不锈钢来制造连接器。连接器是帮助将许多燃料电池组合到一个堆栈或功能单元的部件。在750摄氏度以上的高温下,没有一种金属能在不被氧化的情况下经受住这样的高温,所以你在获取材料方面会遇到很多麻烦,而且这些材料非常昂贵和脆弱,而且有可能会污染电池。

  当我们把温度降低到500摄氏度,感觉就像进入了一个新的世界。Lius lab的研究生研究助理、该研究的首批作者之一本.德吉利(Ben deGlee)说,很少有人尝试过这种方法。当温度那么低的时候,工程师设计堆栈和连接技术的工作就会容易得多。

  而且,这种新型电池并不需要一种称为蒸汽转化器的主要辅助设备,一般情况下需要蒸汽转化器将甲烷和水转化为氢燃料。Liu,deGlee以及联合第一作者于晨(Yu Chen), Lius lab博士后研究员,和堪萨斯大学的共同第一作者Yu Tang于2018年10月29日发表了他们的研究成果。他们的工作由美国能源部的基础能源科学办公室和高级研究项目机构(ARPA-E)资助。它还得到了国家化学科学基金会的资助。


博士后研究员于晨(Yu Chen)在佐治亚理工学院梅林刘实验室的一个单元中设置了新的燃料电池。图片来源:Georgia Tech / Christopher Moore

  分布式发电

  这项研究基于一种具有商业可行性的燃料电池,固体氧化物燃料电池(SOFC)。SOFC以其在燃料使用上的多功能性而闻名。

  如果投入市场,尽管这种新型电池在一段时间内可能无法为汽车提供动力,但作为一个更加分散、更清洁、更廉价的电网的一部分,它可以更快地被安置在地下室。

  燃料电池堆本身的大小相当于一个鞋柜,加上一些辅助系统使其运行。希望你能像安装无水箱热水器一样安装这个设备。它将用天然气为你的房子供电,刘说。

  “这将为社会和工业节省下建造新发电厂和大规模电网的巨大成本。这将使家庭和企业的供能更加独立。这种系统被称为分布式发电,我们的赞助商想要开发这种系统。”

  自制的氢

  氢是燃料电池的最佳燃料,但其成本过高。

  研究人员研究出了如何通过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、镍和钌制成,化学配方为Ce0.9Ni0.05Ru0.05O2,简称CNR。

  当甲烷和水分子接触到催化剂和热量时,镍就会在化学上分解甲烷分子。钌同样适用于水。由此产生的部分会以非常理想的氢(H2)和一氧化碳(CO)的形式重新组合在一起,研究人员惊奇地发现这两种物质得到了很好的利用。在大多数燃料电池中,CO会导致性能问题,但在这里,CO被用作燃料。


包括全新技术在内的层叠式创新使研究人员能够重构燃料电池,使其在较低温度下使用甲烷运行。图中绿色的是钌镍基催化剂,是新燃料电池中的一种创新材料。图片来源:Georgia Tech / Liu lab

  发电过程

  H2和CO继续进一步形成构成阳极的催化剂层,将一部分电子从燃料电池中拉出,使得一氧化碳和氢气带正电子。电子通过导线向阴极移动,产生电流。在那里,极度需要电子的氧吸收电子,关闭电路,变成氧离子。电离的氢和氧以水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。

  相对于产生的能量来说,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,初始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得到补充,这就形成了水,然后循环回去和甲烷反应。

  催化剂聚合

  新的催化剂CNR是由堪萨斯大学的研究合作者制造的,是电池阳极一侧的外层,同时也是防止衰变的保护剂,延长了电池的寿命。

  CNR的内层和电池的另一侧阴极都有很强的串联催化剂。在阴极端,氧的反应和通过系统的运动通常是出了名的慢,但是Liu的实验室最近通过使用纳米纤维阴极来加快它的速度以提高输出电流,实验室在之前的研究中开发了这种纳米纤维阴极。(见先前的研究:一种定制的双钙钛矿纳米纤维催化剂使超快氧进化)这些不同的催化剂的结构,以及纳米纤维阴极,让我们可以降低工作温度,陈说。


研究生助理Ben deGlee将电极连接到一个测试单元,用于测试位于佐治亚理工学院的Meilin Liu实验室的新燃料电池。图片来源:Georgia Tech / Christopher Moore

  原文:

  (中国新能源网综合)

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