科學家研發新型甲烷燃料電池 所需運行溫度比汽車內燃機還低

研究人員發明了一種新型燃料電池，這種電池使用廉價燃料，溫度與汽車發動機相當，可以大幅降低材料成本。

燃料電池的實用性和可承受性並不是特別出名，但這種情況可能已經改變了。

研究人員說，雖然這種電池還在實驗室里，但它有很大的潛力在未來為家庭甚至汽車供電。

在《自然能源》(Nature Energy)雜誌上發表的一項新研究中，研究人員詳細描述了他們如何在一種新發明的燃料催化劑的幫助下，重新構想整個燃料電池。

這種催化劑可利用廉價易得的甲烷製造，從而取代了昂貴的氫燃料。

整個電池的改進大大降低了甲烷燃料電池中常見的沸騰操作溫度。甲烷燃料電池通常需要750到1000攝氏度的溫度才能運行。

這款新引擎只需要500度左右的溫度，甚至比汽車的內燃機還要低一個檔次。汽車的內燃機在600攝氏度左右工作。

這種較低的溫度可能會在操作燃料電池所需的輔助技術上節省大量成本，從而有可能推動新電池實現商業可行性。

研究人員相信，工程師們能夠通過合理的努力，圍繞這種燃料電池設計出電力單元，這是以往甲烷燃料電池所無法做到的。

轟動性的電池

研究負責人、喬治亞理工大學材料科學與工程學院教授Meilin Liu表示:「我們的電池可以製造出一個簡單、可靠的整體系統，使用廉價的不鏽鋼製造連接器。」

連接器是幫助將許多燃料電池組合成一個堆棧或功能單元的部件。

「超過750攝氏度，沒有一種金屬能夠在不氧化的情況下經受住溫度，所以你很難得到材料，而且材料極其昂貴和脆弱，還會污染電池。」Liu說。

「在我們的世界裡，把溫度降到500攝氏度是轟動性的。幾乎沒有人嘗試過。」 Ben deGlee說，他是Liu實驗室的研究生研究助理，也是這項研究的首批作者之一。

「當你達到這麼低的水平時，工程師設計堆棧和連接技術的工作就會容易得多。」

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

更多的電力

研究人員將他們的工作基於一種具有很高商業可行性的燃料電池，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，如果這種新型電池投入市場，可能暫時無法為汽車提供動力，但它可能很快就會作為一個更加分散化、更清潔、更廉價的電網的一部分，落地在地下室。

燃料電池堆本身大約有鞋盒那麼大，再加上配套技術使其運行。

「我們希望你能像安裝無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。

「這將為社會和行業節省新建電廠和大規模電網擴建的巨額成本。」

「這將使家庭和企業更加獨立發電。這種系統將被稱為分散式發電，我們的贊助商希望開發這種系統。」

以更低的成本發電

氫是燃料電池的最佳燃料，但其成本過高。

研究人員發現了如何通過這種新型催化劑將燃料電池中的甲烷轉化為氫氣。這種催化劑由鈰、鎳和釕組成，化學式為Ce0.9Ni0.05Ru0.05O2，簡稱CNR。

當甲烷和水分子與催化劑接觸並加熱時，鎳以化學方式裂解甲烷分子。釕對水也一樣。

研究人員驚奇地發現，這兩種物質結合在一起形成了理想的氫(H2)和一氧化碳(CO)，並得到了很好的利用。

「CO在大多數燃料電池中會導致性能問題，但在這裡，我們將其用作燃料，」Chen說。

氫氣和一氧化碳繼續作用於組成陽極的催化劑層，而陽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。

電子通過一根電線，產生電流，流向陰極。

在那裡，氧，非常需要電子，它吸收電子，關閉電路，變成O2離子。

離子化的氫和氧以水冷凝的形式相遇並離開系統;一氧化碳和氧離子相遇形成純二氧化碳，可以被捕獲。

對於產生的能源，燃料電池技術產生的二氧化碳比內燃機少得多。

在一些燃料電池中，最初反應中的水必須從外部引入。

在這個新的燃料電池中，它在最後一個反應階段被補充，這個反應階段形成水，然後循環回來與甲烷反應。

更快，更穩定

這種新型催化劑CNR是由堪薩斯大學(University of Kansas)的研究合作者製造的，它是電池陽極側的外層，同時也是防止腐蝕的保護劑，可以延長電池的壽命。

CNR在電池的內層和陰極的另一側有很強的同期組群催化劑。

在陰極端，氧氣的反應和在整個系統中的運動通常是出了名的緩慢，但Liu的實驗室最近加快了速度，利用所謂的納米纖維陰極來提高電力輸出，Liu的實驗室在之前的研究中開發了納米纖維陰極。

(一種定製的雙鈣鈦礦納米纖維催化劑可以實現超快的氧氣生成。)

「這些不同催化劑的結構，以及納米纖維陰極，一起使我們能夠降低操作溫度。」Chen說。

美國能源部的基礎能源科學辦公室和高級研究計劃署能源(ARPA-E)資助了這項研究。國家科學基金會的化學部門也提供了資金。

來自喬治亞理工學院、堪薩斯大學和貝爾法斯特女王大學的其他研究人員也參與了這項研究。任何結果、結論和意見都是作者的，不一定是資助機構的。

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